第二章力傳感器2.ppt

1 第二節(jié)電感式傳感器 變磁阻 InductiveTransducer sensor 自感式傳感器氣隙型自感傳感器螺管型自感傳感器自感線圈的等效電路測(cè)量電路自感式傳感器應(yīng)用差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)原理與等效電路誤差因素分析測(cè)量電路應(yīng)用電渦流式傳感器 定義 是一種利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的裝置 是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置 感測(cè)量 位移 振動(dòng) 壓力 應(yīng)變 流量 密度等 分類 3 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠 測(cè)量力小銜鐵為 0 5 200 10 4N時(shí) 磁吸力為 1 10 10 4N 分辨力高機(jī)械位移 0 1 m 甚至更小 角位移 0 1角秒 輸出信號(hào)強(qiáng) 電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV mm 重復(fù)性好 線性度優(yōu)良在幾十 m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi) 輸出特性的線性度較好 且比較穩(wěn)定 不足 存在交流零位信號(hào) 不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量 4 一 自感式傳感器有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu) 一 氣隙型自感傳感器組成 線圈 鐵芯和銜鐵等 磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為l 銜鐵移動(dòng)時(shí)l 發(fā)生變化 引起磁路的磁阻Rm變化 使電芯線圈的電感值L變化 只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感 5 電感傳感器的基本工作原理演示 氣隙變小 電感變大 電流變小 F 6 N 線圈匝數(shù) Rm 磁路總磁阻 鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻 氣隙式自感傳感器 因?yàn)闅庀遁^小 l 為0 1 1mm 所以 認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的 若忽略磁路鐵損 則磁路總磁阻為l1 鐵芯磁路總長(zhǎng) l2 銜鐵的磁路長(zhǎng) S 隙磁通截面積 S1 鐵芯橫截面積 S2 銜鐵橫截面積 1 鐵芯磁導(dǎo)率 2 銜鐵磁導(dǎo)率 0 真空磁導(dǎo)率 0 4 10 7H m l 空氣隙總長(zhǎng) 由磁路基本知識(shí)知 線圈自感為 7 由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下 其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率 因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小 所以上式可簡(jiǎn)化為 如果S保持不變 則L為l 的單值函數(shù) 構(gòu)成變隙式自感傳感器 若保持l 不變 使S隨位移變化 則構(gòu)成變截面式自感傳感器 其特性曲線如圖 L f l 為非線性關(guān)系 當(dāng)l 0時(shí) L為 考慮導(dǎo)磁體的磁阻 當(dāng)l 0時(shí) 并不等于 而具有一定的數(shù)值 在l 較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示 如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改變 從而改變L值時(shí) 則L f S 的特性曲線為一直線 8 二 螺管型自感傳感器工作原理 基于線圈磁力線泄漏路徑上的磁阻的變化 屬于大氣隙傳感器 分單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式 組成 螺管線圈和圓柱形鐵芯 傳感器工作時(shí) 通過(guò)改變磁芯在線圈中的相對(duì)位置 引起螺管線圈自感量的變化 當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí) 假定線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的 且磁芯插入線圈的長(zhǎng)度小于線圈本身的長(zhǎng)度 則此時(shí)線圈的輸出的自感量為 9 L 線圈的自感量 N 線圈的匝數(shù) rc 磁芯半徑 r 線圈的平均半徑 l 螺管線圈長(zhǎng)度 lc 磁芯插入線圈的長(zhǎng)度 r 鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率 根據(jù)傳感器靈敏度的定義 可知單線圈螺管型自感傳感器靈敏度 或 可見(jiàn) 在線圈和磁芯長(zhǎng)度一定時(shí) 自感相對(duì)變化量與磁芯插入長(zhǎng)度的相對(duì)變化量成正比 但由于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻性 實(shí)際單線圈螺管型自感傳感器的輸出特性并非線性 而差動(dòng)螺管型自感傳感器較單線圈螺管型的非線性有所改善 10 為了提高靈敏度與線性度 常采用由兩個(gè)線圈組成的差動(dòng)螺管式自感傳感器 圖 b 中H f x 曲線表明 為了得到較好的線性 鐵芯長(zhǎng)度取0 6l時(shí) 則鐵芯工作在H曲線的拐彎處 此時(shí)H變化小 這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為 5 50 mm 非線性誤差在0 5 左右 11 螺管式自感傳感器的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造裝配容易 由于空氣間隙大 磁路的磁阻高 因此靈敏度低 但線性范圍大 由于磁路大部分為空氣 易受外部磁場(chǎng)干擾 由于磁阻高 為了達(dá)到某一自感量 需要的線圈匝數(shù)多 因而線圈分布電容大 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定 否則影響其線性和穩(wěn)定性 12 三 自感線圈的等效電路 實(shí)際傳感器中包括 銅損電阻 Rc N為線圈匝數(shù) lcp為平均每匝長(zhǎng)度d為線徑 c為導(dǎo)線電阻率 渦流損耗電阻 Re 并聯(lián)分布電容 C 由線圈繞組的分布電容及電纜引線電容組成 并聯(lián)電容后 傳感器的靈敏度提高了 因此在測(cè)量中若需要改變電纜長(zhǎng)度時(shí) 則應(yīng)對(duì)傳感器的靈敏度重新校準(zhǔn) 13 四 測(cè)量電路1 交流電橋?qū)嶋H應(yīng)用中 交流電橋常和差動(dòng)式自感傳感器配合使用 這樣既提高了靈敏度 又改善了線性度 如圖 Z1 Z2為工作臂 即線圈阻抗 R1 R2為電橋的平衡臂 電橋平衡條件 設(shè)Z1 Z2 Z RS j L R1 R2 RRS1 RS2 RS L1 L2 LE為橋路電源 ZL是負(fù)載阻抗 工作時(shí) Z1 Z Z和Z2 Z Z 14 其輸出電壓幅值 當(dāng)ZL 時(shí) 輸出阻抗 為自感線圈的品質(zhì)因數(shù) 15 橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個(gè)分量 在實(shí)際測(cè)量中 只希望有同相分量 如能使或Q值比較大 均能達(dá)到此目的 但在實(shí)際工作時(shí) RS RS一般很小 所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù) 當(dāng)Q值很高時(shí) Usc 當(dāng)Q值很低時(shí) 自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻 電感線圈相當(dāng)于純電阻 Z Rs 交流電橋即為電阻電橋 例如 應(yīng)變測(cè)量?jī)x 此時(shí)輸出電壓Usc 該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 其電阻R1 R2可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成 調(diào)零方便 16 2 變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊 當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí) 流入工作臂的電流為 初始Z1 Z2 Z RS j L 故平衡時(shí) USC 0 雙臂工作時(shí) 設(shè)Z1 Z Z Z2 Z Z 相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng) 則 同理反方向移動(dòng)時(shí) 17 可見(jiàn) 銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí) 產(chǎn)生的輸出電壓Usc大小相等 方向相反 即相位互差180 可反映銜鐵移動(dòng)的方向 但是 為了判別交流信號(hào)的相位 需接入專門的相敏檢波電路 優(yōu)點(diǎn) 變壓器電橋與電阻平衡電橋相比 元件少 輸出阻抗小 橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性 缺點(diǎn) 變壓器副邊不接地 易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓 使高增益放大器不能工作 變壓器電橋的輸出電壓幅值 輸出阻抗為 略去變壓器副邊的阻杭 它遠(yuǎn)小于電感的阻抗 18 五 自感式傳感器的應(yīng)用 主要應(yīng)用于測(cè)量位移和尺寸 也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其他參數(shù) 如力 壓力 壓差 張力 加速度 扭矩 應(yīng)變等 軸向自感式傳感器 測(cè)量尺寸 壓力傳感器 1彈簧2調(diào)節(jié)螺釘3 7鐵心4 6差動(dòng)線圈5銜鐵 1引線2鐵心3銜鐵4線圈5彈簧6防轉(zhuǎn)銷7鋼球?qū)к?測(cè)桿9密封套10可換側(cè)頭 19 二 差動(dòng)變壓器 DifferentialTransformerSensor 一 結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和螺管型兩種 目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器 可測(cè)量1 100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移 其基本元件有銜鐵 初級(jí)線圈 次級(jí)線圈和線圈框架等 初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用 相當(dāng)于變壓器的原邊 而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成 相當(dāng)于變壓器的副邊 螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初 次級(jí)排列不同有二節(jié)式 三節(jié)式 四節(jié)式和五節(jié)式等形式 20 3 2 1 2 1 2 1 1 2 a b c d 1 2 1 1 2 差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級(jí)線圈 2次級(jí)線圈 3銜鐵 3 三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小 二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高 線性范圍大 四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度 21 在理想情況下 忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗 差動(dòng)變壓器的等效電路如圖 初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為 e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1 R1初級(jí)線圈電感和電阻M1 M2分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1 2間的互感L21 L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21 R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻 I1 激勵(lì)電壓的角頻率 e1 激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值 由于Il的存在 在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通 Rm1及Rm2分別為磁通通過(guò)初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻 N1為初級(jí)線圈匝數(shù) 22 N2為次級(jí)線圈匝數(shù) 因此空載輸出電壓 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22 其值分別為 其幅值 輸出阻抗 或 23 鐵芯向右移 輸出與e22同極性 鐵芯向左移 輸出與e21同極性 輸出電壓的幅值取決于線圈互感即銜鐵在線圈中移動(dòng)的距離X e2與e1的相位由銜鐵的移動(dòng)方向決定 24 二 誤差因素分析1 激勵(lì)電源電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng) 會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化 直接影響輸出電勢(shì) 差動(dòng)變壓器激勵(lì)頻率的選擇至少要大于銜鐵運(yùn)動(dòng)頻率的10倍 即可測(cè)信號(hào)頻率取決于激勵(lì)頻率 一般在2kHz以內(nèi) 另外還受到測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械負(fù)載效應(yīng)的限制 2 溫度變化的影響在周圍環(huán)境溫度變化時(shí) 會(huì)引起差動(dòng)變壓器線圈電阻及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化 從而導(dǎo)致輸出電壓 靈敏度 線性度和相位的變化 當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí) 這種影響更為嚴(yán)重 在這方面采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利 適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響 25 3 零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí) 由于對(duì)稱的兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接 理論上其輸出電壓為零 但實(shí)際上 當(dāng)使用橋式電路時(shí) 差動(dòng)輸出電壓并不為零 總會(huì)有零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV的微小的電壓值存在 不論怎樣調(diào)整也難以消除 我們把零位移時(shí)差動(dòng)變壓器輸出的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓 零點(diǎn)殘余電壓使得傳感器輸出特性不過(guò)零點(diǎn) 如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性 零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū) 零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和 影響電路正常工作等 26 1基波正交分量2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾 圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓 e20包含基波同相成分 基波正交成分 二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾波 27 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因 基波分量 兩個(gè)次級(jí)繞組等效電路參數(shù) 互感M 自感L及損耗電阻R 不可能相同 一次線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻 線圈匝間電容的存在等因素 使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同 因此 無(wú)論銜鐵如何移動(dòng)都不可能使合成電勢(shì)為零 高次諧波 高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起 由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響 使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦 主要是三次諧波 磁通 從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì) 另外 激勵(lì)電流波形失真 因其內(nèi)含高次諧波分量 這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分 28 消除零點(diǎn)殘余電壓方法 1 從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 要求提高銜鐵等重要零件的加工精度 兩次級(jí)線圈繞法要完全一致 必要時(shí)對(duì)兩次級(jí)線圈進(jìn)行選配 把電感和電阻值十分接近的兩線圈配對(duì)使用 磁性材料必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理 以消除內(nèi)部殘余應(yīng)力 并使其磁性能的均勻性及穩(wěn)定性較好 結(jié)構(gòu)上可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 以提高磁路的對(duì)稱性 由高次諧波產(chǎn)生的因素可知 磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段 29 消除零點(diǎn)殘余電壓方法 2 選用合適的測(cè)量線路 選用合適的測(cè)量線路可減小零點(diǎn)殘余電壓輸出 如采用相敏檢波電路 可使經(jīng)相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2 如圖 這樣的測(cè)量電路不僅可以鑒別銜鐵移動(dòng)方向 而且可以把銜鐵在中間位置時(shí) 因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉 30 3 采用補(bǔ)償線路 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同 并聯(lián)電容可改變其一的相位 也可將電容C改為電阻 如圖 a 由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化 從而改變磁化曲線的工作點(diǎn) 減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓 圖 b 中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量 e1 e2 C R e1 e2 C R a b 調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路 31 并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零 改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位 如圖所示 電容C 0 02 F 可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng) e1 e2 C R1 R2 W 電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路 32 R或L補(bǔ)償電路 e1 e2 L0 W e1 e2 R0 W a b 接入R0 幾百k 或補(bǔ)償線圈L0 幾百匝 繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓 避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓 電路如圖 33 三 測(cè)量電路差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流 它與銜鐵位移成正比 用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小 不能反映移動(dòng)的方向 因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量 34 全波整流電路和波形圖 e1 R R c a b h g f d e USC 銜鐵在零位以下 eab t t t eab t t t eab t ecd t USC t ecd USC USC ecd 銜鐵在零位以上 銜鐵在零位 b a 在f點(diǎn)為 則電流路徑是fgdche 參看圖a 反之 如f點(diǎn)為 則電流路徑是ehdcgf 1 差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的 35 2 相敏檢波電路圖為二極管相敏檢波電路 圖中UR為參考電壓 其頻率與U0相同 相位與U0同相或反相 并且UR U0 即二極管的導(dǎo)通與否取決于UR 工作原理 1 銜鐵在中間位置時(shí) U0 0 電流表中無(wú)讀數(shù) 2 若銜鐵向上移動(dòng) 信號(hào)電壓U0上正下負(fù)為正半周 假定參考電壓UR極性為左正右負(fù) 此時(shí)D1 D2截止 而D3 D4導(dǎo)通 信號(hào)電流方向?yàn)?B R mA F E D3 G D4 C 電流表的極性是上正下負(fù) 同理負(fù)半周結(jié)果相同 3 當(dāng)被測(cè)量方向變化使銜鐵下移時(shí) 輸出電壓U0的相位與銜鐵上移時(shí)相反 36 四 應(yīng)用測(cè)量振動(dòng) 厚度 應(yīng)變 壓力 加速度等各種物理量 1 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上 才能得到精確的測(cè)量結(jié)果 可測(cè)量的振幅為 0 1 5 mm 振動(dòng)頻率為 0 150 Hz 穩(wěn)壓電源 振蕩器 檢波器 濾波器 b a 220V 加速度a方向 a 輸出 1 2 1 1彈性支承2差動(dòng)變壓器 37 2 微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件 膜片 膜盒和彈簧管等 相結(jié)合 可以組成各種形式的壓力傳感器 220V 1接頭2膜盒3底座4線路板5差動(dòng)變壓器6銜鐵7罩殼 V 振蕩器 穩(wěn)壓電源 差動(dòng)變壓器 相敏檢波電路 1 2 3 4 5 6 7 這種變送器可分檔測(cè)量 5 105 6 105 N m2壓力 輸出信號(hào)電壓為 0 50 mV 精度為1 5級(jí) 38 3 液位測(cè)量沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化 再轉(zhuǎn)換為電感的變化 差動(dòng)變壓器的輸出反映液位高低 39 4 電感測(cè)厚儀L