電感式微位移傳感器

1、傳感器原理及應用課程考 核 論 文題 目 電感式微位移傳感器分析及應用實例 班 級 學 號 姓 名 成 績 機械與汽車工程學院 機械電子工程系二零一四 年 五 月22目 錄摘要 2引言 2一、電感式傳感器組成及原理 3二、電感測頭的結構 11三、差動變壓器應用 11四、電感式微位移傳感器應用實例 12參考文獻 23電感式微位移傳感器分析及應用實例摘要：隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，自動化程度愈來愈高。要保證產品質量，對產品的檢測和質量管理都提出了更高的要求。電感式微位移傳感器是一種分辨率極高、工作可靠、使用壽命很長的測量儀器,應用于微位移測量已有比較長的歷史. 本文主要對電感式微位移

2、傳感器進行了系統(tǒng)性分析，闡述了其物理效應、構成、結構、測量電路、顯示裝置等基本內容，并在網上對此傳感器進行了選型，結合其產品手冊/使用說明書，詳細說明了此傳感器的用法，并進行了舉例說明。關鍵詞: 電感式傳感器，相敏檢波，零點殘余電壓Abstract:With modern manufacturing scale expands gradually, more and more high degree of automation. To ensure the quality of product, the product testing and quality management a

3、re put forward higher requirements. Inductive micrometer is a kind of extremely high resolution, reliable operation, long service life measuring instrument, used in the micro displacement measurement has a long history. This article mainly has carried on the systematic analysis to inductance displac

4、ement of weak, expounds the physical effect, composition, structure, measuring circuit, display device, the basic content, and for the selection of this sensor on the net, combined with its product manuals operating instructions, detailed the use of the sensor, and an example was carried out.Key wor

5、ds: Inductive sensor, phase sensitive detection, zero residual voltage引言電感式微位移傳感器又稱電感式測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。例如，檢查工件的厚度、內徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動等，被廣泛應用于精密機械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國防、科研、計量部門的精密長度測量。主要的技術指標為測量范圍：0±30m檔及0±500m檔。示值誤差：0土30m檔為0.1m，0±500m檔

6、為1m。分辨率：0±30m檔為0.01m，0±500m檔為0.1m。極性：當測量值為負時，自動顯示“-”；為正時，無極性符號。一、電感式傳感器組成及原理電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩和應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有繞組。電感式傳感器的優(yōu)點 結構簡單、可靠 。 分辨率高。能測量0.1m的機械位移，甚至更??；能感受0.1角秒的微小角位移。 輸出信號強，電壓靈敏度可

7、達數(shù)百mV/mm 。 重復性好，線性度優(yōu)良在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。電感式傳感器的不足：存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。電感式傳感器種類很多。根據(jù)轉換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結構形式不同，可分為氣隙型和螺管型兩種?，F(xiàn)在市場上的電感式測微儀多采用差動變壓器式結構，故這里只針對差動式變壓器進行說明。（一）結構原理與等效電路差動變壓器的結構形式如圖所示，它分為氣隙型和螺管型兩種形式。氣隙型差動變壓器由于行程小，且結構較復雜，因此目前已很少采用，而大多數(shù)采用螺管型差動變壓器。下面僅討論螺管型差動變壓器。（

8、a）氣隙型 （b）螺管型1- 初級線圈 2、3- 次級線圈 4- 銜鐵差動變壓器由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊；次級線圈由兩個結構尺寸和參數(shù)相同的相同線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯 損耗和分布電容 等影響），它的等效電路 如圖所示。圖U1為一次繞

9、組激勵電壓 ；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感 和有效電阻 ；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有交電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互相同，因而由一次側激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內感應電動勢大于二次繞組L22內感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的是量程內，銜動移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但

10、由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖4.2.2可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應動勢為：  由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：其有效值為： 差動變壓器輸出電勢e與銜鐵位移x的關系如圖所示，其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。差動變壓器輸出特性曲線（二）線性度與靈敏度（1）線性度。差動變壓器的線性范圍受到螺管線圈軸向磁場不均勻的影響。靠合理的設計保證所要求的線性范圍和線性度。（2）靈敏度。差動變壓器的靈敏度是指銜鐵移動單位位移時所產生的輸出電勢的變化，可用mV/mm來表示；在實用中考慮到

11、激勵電壓的影響，還常用mV/mm/V來表示，即銜鐵單位位移所產生的電勢變化除以激勵電壓值。 差動變壓器靈敏度的高低與初級電壓、次級繞組匝數(shù)和激勵電壓的頻率有關： 與次級匝數(shù)的關系 次級匝數(shù)增加，靈敏度增加，二者呈線性關系。但是次級匝數(shù)不能無限制增加，因為差動變壓器零點殘余電壓也隨之變大。 初級電壓 靈敏度與初級電壓成正比關系，但初級電壓也不能過大，過大時會使差動變壓器線圈發(fā)熱而引起輸出信號漂移，一般采用38V。 激勵電源頻率 在頻率很低時，靈敏度隨頻率增加而增加；當頻率升高，線圈的感抗大大高于其電阻時，靈敏度與頻率無關；當頻率超過某一數(shù)值時（該值因銜鐵材料而不同），由于高頻時導線的集膚效應使導

12、線有效電阻增加，銜鐵的渦流損耗及磁滯損耗增加，使輸出下降。圖2-1是某種導磁材料輸入頻率與靈敏度的關系，可供選擇激勵頻率時參考。 差動變壓器的激磁頻率與靈敏度的關系(三)差動變壓器的誤差因素分析1、激勵電壓幅值與頻率的影響 激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，只要適當?shù)剡x擇頻率，其影響不大。 2、溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導磁體磁導率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產生溫度漂移。當線圈品質因數(shù)較低時，影響更為嚴重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當提高線圈品質因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。  3、零

13、點殘余電壓 當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。    圖中e1為差動變壓器初級的激勵電壓，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等。零點殘余電壓產生原因：基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗

14、電阻R）不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應電勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產生的磁通相位不同。    高次諧波。高次諧波分量主要由導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，使得激勵電流與磁通波形不一致產生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內含高次諧波分量，這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分。消除零點殘余電壓方法：1、從設計和工藝上保證結構對稱性    為保證線圈和磁路

15、的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調節(jié)結構。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。2、選用合適的測量線路     采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。相敏檢波后的輸出特性3采用補償線路 由于兩個次級線圈感應電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改

16、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，減小高次諧波所產生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調整次級線圈的電阻分量。 調相位式殘余電壓補償電路并聯(lián)電位器W用于電氣調零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調整電位器時使零點移動。電位器調零點殘余電壓補償電路接入R0(幾百k)或補償線圈L0(幾百匝)。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負載 電壓，避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖。R或L補償電路（四）測量電路差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能

17、反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量。圖示是二極管相敏檢波電路。差動電感式傳感器的兩個線圈作為交流電橋相鄰的兩個工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。這種電路容易做到輸出平衡，而且便于阻抗匹配。 帶相敏整流的交流電橋 設差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。 當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負，二極管V1、V4導通，V2、V3截止。在A-

18、E-C-B支路中，C點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點電位由于Z2的降低而比平衡時D點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉。 如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負，B點電位為正，二極管V2、V3導通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點電位更負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉。 同樣可以得出結果：當銜鐵下移時

19、，電壓表總是反向偏轉，輸出為負。 可見采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號既能反映位移大小又能反映位移的方向。（五）電感式傳感器系統(tǒng)總結構電感式測微儀硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成的電感橋路上。工件的微小位移經電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內銜鐵移動，使兩線圈內的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少

20、，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應的調制信號。此信號經放大，由相敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號，經A/D轉換器輸入到單片機，經過數(shù)據(jù)處理進行顯示、傳輸、超差報警、統(tǒng)計分析等。二、電感測頭的結構圖示是軸向式電感測頭的結構圖。測頭10 用螺釘擰在測桿8 上,測桿8 可在鋼球導軌7 上作軸向移動。測桿上端固定著銜鐵3 。線圈4 放在圓筒形磁心2 中,兩線圈差動使用,當銜鐵過零點上移時,上線圈電感量增加,下線圈電感量減少。兩線圈輸出由引線1 接至測量電路。測量時,測頭10 與被測物

21、體接觸,當被測物體有微小位移時,測頭通過測桿8 帶動銜鐵3 在電感線圈4 中移動,使線圈電感值變化,通過引線接入測量電路。彈簧5 產生的力,保證測頭與被測物體有效地接觸。防轉銷6 限制測桿轉動,密封套9 防止灰塵進入傳感器內部。 電感測頭結構圖三、差動變壓器應用位移測量是差動變壓器最主要的用途。凡是能夠變換成位移的物理量都可以用差動變壓器測量。注意，一般用差動變壓器測量都是接觸式的，在某些場合會影響被測對象的狀態(tài)（例如振動等），即所謂“負載效應”，這時須選用其他形式的傳感器，例如電渦流傳感器。它可以作為不少精密量儀的主要部件，如制成高精度電感比較儀，配上相應的測量裝置，能對零件進行多種精密測量

22、：長度、內徑、外徑、不平行度、不平面度、不垂直度、振擺、偏心、和橢圓度等。作為軸承滾動體自動分選機的主要測量部件，可以分選大、小鋼球，大、小圓柱，大、小圓椎，滾針等。用來測量各種零件的膨脹、伸長、應變、移動等。應用各類傳感器其位移測量范圍可從±3m到1000mm以上。振動和加速度測量。利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可以構成測量振動的加速度計。壓力測量。差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒、彈簧管等）相結合，可以組成開環(huán)系統(tǒng)的壓力傳感器和閉環(huán)系統(tǒng)的力平衡式壓力計。四、電感式微位移傳感器應用實例這里選用深圳信為科技發(fā)展有限公司的SDVB20M-5A 直流LVDT位移傳感器作為應用實例介

23、紹。（一）產品介紹實物圖產品概述差動變壓器式位移傳感器（LVDT）可廣泛應用于航天航空，機械，建筑，紡織，鐵路，煤炭，冶金，塑料，化工以及科研院校等國民經濟各行各業(yè)，用來測量伸長,振動,物體厚度，膨脹等的高技術產品。直流LVDT具有優(yōu)良的性能，采用方便的單電源9-28V DC供電，電子電路密封在304不銹鋼金屬管內,可以在潮濕和灰塵等惡劣環(huán)境中工作,輸出信號為標準的可被計算機或PLC使用的0-5V或4-20mA輸出。特點1、外徑20mm,不銹鋼304外殼,回彈式；2、內置精密直線軸承，重復性好；3、探頭經過淬火處理，耐磨性好；4、直流單電源供電，內置高性能信號解調器；5、二線4-20mA電流輸

24、出，三線制電壓輸出0-10V。應用領域軸徑跳動檢測、紡織機械檢測、閥門位置檢測與控制、輥縫間隙測量、車輛制動裝置磨損測量。安裝夾具尺寸 LVDT 的定位安裝要求采用溫度膨脹系數(shù)小的非金屬夾具進行固定,如果采用金屬塊夾具安裝會對產品性能產生影響。（二）應用舉例利用此差動變壓器式位移傳感器構建實際振動量測試系統(tǒng)，實際構建的振動量測試系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1典型振動量測試系統(tǒng)組成實驗中, 被測工件采用懸臂梁; 激勵源為低頻振蕩器, 輸出頻率為530Hz, 幅值可調; 差動變壓器初始線圈接入高頻交流電壓, 頻率在45kHz, 幅值可調; 傳感器與被測工件如圖3所示安裝, 所用典型測量電路如圖4所示。影

25、響振動量測試系統(tǒng)測量精度的主要因素分析1.1零點殘余電壓的影響及消除辦法1.1.1零點殘余電壓產生的原因當差動變壓器鐵芯處于線圈中間位置時, 由于對稱的兩個次級線圈反極性串聯(lián), 理論上次級線圈產生的感應電勢應該大小相等, 方向相反。因而, 差動輸出電壓應該為0, 但實際情況并不為0 , 如圖5所示為差動變壓器產生的零位輸出電壓的波形。在零點附近總會有幾mV到幾十mV的電壓輸出。無論如何調整, 該電壓也難以消除, 把零位移時差動變壓器輸出的電壓稱為零點殘余電壓。零位輸出電壓的存在使得傳感器輸出特性在零位附近不靈敏、分辨率變差、引起非線性誤差, 造成實際特性和理想特性不完全一致, 致使儀器測量電路

26、不能正常工作, 不利于測量并帶來測量誤差。因而零位輸出電壓的大小是評定差動變壓器性能優(yōu)劣的重要指標。圖5零點殘余電壓輸出削頂波形零點殘壓產生的根本原因主要有以下幾方面:(1) 兩個次級線圈結構、幾何尺寸、電氣參數(shù)不對稱, 以及初次級線圈銅損電阻、鐵磁材質不均勻、線圈間分布電容等原因形成。所以, 即使鐵芯處于中間位置時輸出也不為0。導致兩線圈的感應電勢幅值不等, 相位不同。無論如何調整鐵芯位置, 兩線圈中的感應電勢都抵消不了。(2) 高次諧波由于磁性材料磁化曲線的非線性造成零點殘余電壓存在。磁路工作在磁化曲線的非線性段, 激勵電流產生的磁通被削頂如圖6所示, 這種削頂波主要是由基波和三次諧波組成

27、, 因而次級線圈零位輸出電壓便產生三次諧波。另外, 激勵電流波形失真, 內含高次諧波分量, 這也使零位輸出電壓中有高次諧波的成分。圖6未調整前傳感器輸出電壓波形1.1.2消除辦法為了減少零殘電壓, 除了對傳感器本身在設計和工藝上盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電器參數(shù)和磁路對稱、兩次級線圈繞法一致, 鐵芯加工精度要高, 磁性材料必須經適當處理, 消除內部殘余應力使其磁性能均勻、穩(wěn)定外, 還要選用導磁性能好的材料作保護外殼, 同時起到磁屏蔽的作用, 要求高時也可以用導電材料設置靜電屏蔽層, 以減小外界電磁干擾。同時控制鐵芯的最大工作磁感強度, 使其小于磁化曲線max處對應的Bm 值, 以便使磁路工

28、作在磁化曲線的線性段, 減小高次諧波。這些可以靠選擇合適的傳感器來保證。而在實際測試工作中, 保證傳感器安裝精度, 從而減小鐵芯與線圈的摩擦和選用合適的測量電路補償就成為消除零殘的最好的辦法。因而在實際使用時往往從傳感器的安裝精度和測量電路兩方面來實現(xiàn)零殘的補償。(1) 保證傳感器的安裝精度如圖3所示, 將差動變壓器傳感器安裝在工作臺連接橋板上。首先用手按壓振動臺, 保證差動變壓器的鐵芯沒有卡死現(xiàn)象, 同時調節(jié)鐵芯安裝高度, 使鐵芯與線圈之間無摩擦現(xiàn)象, 且大致在傳感器中間位置。這時, 給傳感器初級線圈加入交流電源, 頻率為5kHz左右, 幅值為4V, 同時利用示波器觀察差動變壓器傳感器的輸出

29、如圖6所示?？煽闯鲚敵霾ㄐ尾粚ΨQ且上、下波峰高度不一致。此時反復調整升降臺,使傳感器輸出波形近似對稱, 如圖7所示, 升降臺的這個位置即為傳感器最佳安裝位置。圖7調整后傳感器輸出電壓波形(2) 零殘的外電路補償法從示波器觀察到的零殘波形圖5可看出, 它一般由基波和高次諧波兩部分組成。因而, 采用加入串、并聯(lián)電阻, 電容的測量電路的補償辦法來消除零殘電壓, 如圖8所示。在沒接入補償電路時, 在差動變壓器安裝的最佳位置, 如圖7 所示, 零點殘余電壓Uo = 4215mV, 而接入補償電路后仔細調節(jié)串、并聯(lián)電阻RW1、RW2 , 會使Uo 幅值下降可達到Uo = 5mV,如圖9所示, 波形近似為一

30、條接近零點的直線。圖9接入補償電路后輸出電壓波形這時差動變壓器輸出的波形如圖10 所示, 上、下波峰近似相等, 波形接近于理想的包絡線。圖10補償后的傳感器電壓輸出波形1.2測量電路的影響差動變壓器測量振動信號, 不經過測量電路時,輸出波形為如圖10 所示的包絡線。要想從中恢復初始振動信號, 必須采用相敏檢波技術。如圖4為所采用的相敏檢波電路。檢波即是將被測信號由電壓調制的調幅波還原為信號原形, 而相敏檢波能將信號的電壓極性反映出來。實驗中, 將差動變壓器輸出信號接入, 用手按住振動平臺(讓傳感器產生一恒定輸出) , 利用示波器觀察檢波器輸出。如圖11 所示, 此時調節(jié)相敏檢波器旋鈕RW1、RW2和升降臺高度, 觀察相敏檢波器輸出, 示波器顯示的波形為一個非常漂亮半波整流波形, 如圖12所示。松手后, 整流波形消失, 變?yōu)橐粭l接近零點的直線。圖11相敏檢波器輸出此時, 再