傳感器課件君1-5講第四

1、第3章 電感式傳感器3.1 自感式傳感器3.2 變壓器式傳感器3.3 渦流式傳感器3.4 壓磁式傳感器3.5 感應(yīng)同步器本章要點(diǎn)下頁(yè)返回 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置?？梢杂脕頊y(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)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(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)。一般要利用磁場(chǎng)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線圈繞組。圖庫(kù)3.1 自感式傳感器 3.1.1 自感式傳感器的工作原理3.1.2 等效電路3.1.3 轉(zhuǎn)換電路3.1.4 自感式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.1 自感

2、式傳感器的工作原理 電感值與以下幾個(gè)參數(shù)有關(guān)：與線圈匝數(shù)W平方成正比；與空氣隙有效截面積S0成正比；與空氣隙長(zhǎng)度l0所反比。 圖3-l 自感式傳感器原理圖 圖3-2 截面型自感式傳感器 B為動(dòng)鐵芯(通稱銜鐵) A為固定鐵芯 圖3-3 差動(dòng)自感式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.1 自感式傳感器的工作原理下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.1 自感式傳感器的工作原理 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.2 等效電路 自感式傳感器從電路角度來看并非純電感，它既有線圈的銅耗，又有鐵芯的渦流及磁滯損耗，這可用折合的有功電阻抗Rq表示。此外，無功阻抗除電感之外還包括繞組間分布電容。這部分電容用集總參數(shù)C表示，一個(gè)電感線圈的完整等效

3、電路可用圖3-4表示。 圖3-4 電感線圈等效電路 (3-7) 式中 Rm-磁路總磁阻； Za-鐵芯部分的磁阻抗； Z0-空氣隙的磁阻抗。 圖15-9 取樣保持原理下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.3 轉(zhuǎn)換電路 自感式傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?。為了測(cè)出電感量的變化，同時(shí)也為了送入下級(jí)電路進(jìn)行放大和處理。就要用轉(zhuǎn)換電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)變化。把傳感器電感接入不同的轉(zhuǎn)換電路后，原則上可將電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的幅值、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.3 轉(zhuǎn)換電路一、調(diào)幅電路 調(diào)幅電路的一種主要形式是交流電橋。圖3-5(a)所示

4、為交流電橋的一般形式。橋臂Zi可以是電阻、電抗或阻抗元件。當(dāng)空載時(shí)，其輸出稱為開路輸出電壓，表達(dá)式如下。式中U為電源電壓。 圖3-5 交流電橋的一般形式及等效電路 圖3-6 交流電橋的兩種實(shí)用形式 (a) 電阻平衡臂電橋 (b)變壓器電橋 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.3 轉(zhuǎn)換電路二、調(diào)頻電路 調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率f的變化。一般是把傳感器電感L和一個(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩回路中，如圖3-8(a)所示。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)的f大小即可測(cè)出被測(cè)量值。當(dāng)L有了微小變化L后，頻率變化f為 圖3-8 調(diào)頻電路下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.3 轉(zhuǎn)換電路三、調(diào)相電路 調(diào)相

5、電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓相位的變化。圖3-9(a)所示是一個(gè)相位電橋，一臂為傳感器L，另一臂為固定電阻R。設(shè)計(jì)時(shí)使電感線圈具有高品質(zhì)因數(shù)。忽略其損耗電阻，則電感線圈與固定電阻上壓降UL與UR互相垂直。當(dāng)電感L變化時(shí)，輸出電壓U0的幅值不變，相位角隨之變化。 與L的關(guān)系為 -電源角頻率 式中 圖3-9 調(diào)相電路下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.3 轉(zhuǎn)換電路 在這種情況下，當(dāng)L有微小變化L后，輸出電壓相位變化為下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.4 自感式傳感器的特點(diǎn)以及應(yīng)用 自感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)： 靈敏度比較好，目前可測(cè)0.1m的直線位移，輸出 信號(hào)比較大、信噪比較好； 測(cè)量范圍比較小，適

6、用于測(cè)量較小位移； 存在非線性； 消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器，這是由于它有較大的電磁吸力的緣故； 工藝要求不高，加工容易。 圖3-11 測(cè)氣體壓力的電感傳感器 圖3-12 變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2變壓器式傳感器3.2.1 工作原理3.2.2 等效電路及其特性3.2.3 差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路3.2.5 變壓器式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.1 工作原理 變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感M的一種磁電機(jī)構(gòu)，很象變壓器的工作原理，因此常稱變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動(dòng)形式。圖3-13所示為典型結(jié)構(gòu)原理。其中：A、B為兩個(gè)山字形固定鐵芯，在

7、其窗中各繞有兩個(gè)線圈，W1a及W1b為一次繞組，W2a及W2b為二次繞組；C為銜鐵。圖3-14所示為改變氣隙有效截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器。 圖3-13 氣隙型差動(dòng)變壓器式傳感器 圖3-14 截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.2 等效電路及特性 圖3-15 差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.3 差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路 差分變壓器隨銜鐵的位移輸出一個(gè)調(diào)幅波，因而用電壓表來測(cè)量存在下述問題：總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移量困難。交流電壓表無法判別銜鐵移動(dòng)方向，為此常采用必要的測(cè)量電路來解決。 一、相敏檢測(cè)電路 二、差分整流電路 圖3-19 相敏檢波電

8、路原理圖 圖3-20 差分整流電路 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.4 變壓器式傳感器的應(yīng)用舉例 與電感傳感器相似，差分變壓器也存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}。零點(diǎn)殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過原點(diǎn)，并使實(shí)際特性不同于理想特性。 圖3-23 差動(dòng)變壓器式位移傳感器 圖3-25 微壓傳感器 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)差動(dòng)式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)： 線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍； 溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??； 電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。 電感式接近傳感器電感式接近傳感器應(yīng)用舉例1、生產(chǎn)中測(cè)量產(chǎn)品的長(zhǎng)度每個(gè)

9、脈沖對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度：被測(cè)物總長(zhǎng)度：2、生產(chǎn)線工件的計(jì)數(shù)3、機(jī)械手的限位3.3 渦流式傳感器3.3.1 工作原理3.3.2 轉(zhuǎn)換電路3.3.3 渦流式傳感器的特性及應(yīng)用下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3.1 工作原理 金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。 圖3-27 渦流式傳感器基本原理圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3.2 轉(zhuǎn)換電路 由渦流式傳感器的工作原理可知，被測(cè)量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因素Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出?？偟膩碚f，利用Q值的轉(zhuǎn)換電

10、路使用較少，這里不作討論。利用z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。 下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3.2 轉(zhuǎn)換電路 一、橋路 二、諧振調(diào)幅電路 三、諧振調(diào)頻電路 圖3-28 渦流式傳感器電橋 圖3-29 諧振調(diào)幅電路 圖3-30 諧振調(diào)幅電路特性 圖3-31 調(diào)頻電路原理圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù) 3.3.3 渦流式傳感器的特性及應(yīng)用 渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 圖3-32 低頻透射渦流測(cè)厚儀原理 圖3-33 不同頻率下的e=f(h)曲線 圖

11、3-34 軌跡儀原理結(jié)構(gòu)下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)2. 低頻透射式電渦流傳感器 測(cè)量厚度時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測(cè)厚度，不利于進(jìn)行厚度測(cè)量，通常選激勵(lì)頻率為1kHz左右。 測(cè)薄金屬板時(shí)，頻率一般應(yīng)略高些，測(cè)厚金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。在測(cè)量電阻率 較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測(cè)量 較大的材料時(shí)，應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測(cè)量不同材料時(shí)能得到較好的線性和靈敏度。a)比較淺的裂縫信號(hào) b)經(jīng)過幅值甄別后的信號(hào) 在探傷時(shí)，重要的是缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)比。為了獲得需要的頻率而采用濾波器，使某一頻率的信號(hào)通過，而將干擾頻率信號(hào)衰減。 用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信號(hào)3.4

12、 壓磁式傳感器3.4.1 工作原理3.4.2 結(jié)構(gòu)形式下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.4.1工作原理 某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)”。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，有些伸長(zhǎng)，有些則壓縮，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮”。 當(dāng)某些材料受拉時(shí)，在受力方向上的磁導(dǎo)率增高，而在與作用力相垂直的方向上磁導(dǎo)率降低，這種現(xiàn)象稱為正磁致伸縮；與此相反的稱為負(fù)磁致伸縮。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù) 3.4.1工作原理 鐵磁材料的壓磁應(yīng)變靈敏度表示方法與應(yīng)變靈敏度系數(shù)表示方法相似。 式中 =/-磁導(dǎo)率的相對(duì)變化； l=l/l-在機(jī)械力的作用下鐵磁物質(zhì)的 相對(duì)

13、變形。 壓磁應(yīng)力靈敏度同樣定義為：?jiǎn)挝粰C(jī)械應(yīng)力所引起的磁導(dǎo)率相對(duì)變化=/， 即 利用上述介紹的關(guān)系可以做成壓磁傳感器。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.4.2 結(jié)構(gòu)形式 一、利用一個(gè)方向磁導(dǎo)率的變化 二、利用兩個(gè)方向上磁導(dǎo)率的改變 圖3-35 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之一 圖3-36 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之二下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5 感應(yīng)同步器3.5.1 工作原理3.5.2 類型與結(jié)構(gòu)3.5.3 輸出信號(hào)的測(cè)量方法3.5.4 誤差分析下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5.1 工作原理 感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測(cè)量直線位移或轉(zhuǎn)角位移的一種器件。測(cè)量直線位移的稱為直線感應(yīng)同步器，測(cè)量轉(zhuǎn)角位移的稱為圓感應(yīng)同步器。 感應(yīng)同步器是

14、根據(jù)兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置而變化的原理制造的。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，而圓感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。在定尺和滑尺、轉(zhuǎn)子和定子上制有印刷電路繞組，其截面結(jié)構(gòu)如圖3-38所示。工作時(shí)利用繞組間其相對(duì)位置變化而產(chǎn)生的電磁耦合作用發(fā)出相應(yīng)于位移或轉(zhuǎn)角的信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)量目的。 圖3-38 定尺和滑尺印刷電路截面結(jié)構(gòu) 圖3-39 定尺和滑尺繞組分布示意圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5.2 類型與結(jié)構(gòu) 一、長(zhǎng)形感應(yīng)同步器,又稱為直線感應(yīng)同步器,它可 分為標(biāo)準(zhǔn)型及窄型兩種。 二、圓形感應(yīng)同步器，又稱為旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)同步器 三、繞組結(jié)構(gòu) 圖3-40 標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器的外型尺寸 圖3-41 窄型直線感應(yīng)同步器的外型尺寸 圖3-42 圓形感應(yīng)同步器的外型尺寸 圖3-43 定尺、滑尺繞組示意圖第3章 本章要點(diǎn)自感式傳感器自感式傳感器的工作原理等效電路轉(zhuǎn)換電路 1.調(diào)幅