第5章現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

第5章電感式傳感器5.1自感式傳感器5.2差動(dòng)變壓器第5章電感式傳感器電感式傳感器的基本原理是利用磁路磁阻變化，引起傳感器線圈的自感和線圈間的互感的變化來實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。利用這種轉(zhuǎn)換原理可以測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、相對(duì)密度等參數(shù)。電感式傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，可以分為自感式和互感式兩類。按照結(jié)構(gòu)形式，自感式傳感器又可分為變氣隙式，變截面式和螺管式等形式，互感式傳感器也有變氣隙式和螺管式等結(jié)構(gòu)。5.1自感式傳感器電感式傳感器優(yōu)、缺點(diǎn)⑴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，測(cè)量力小,當(dāng)銜鐵重力為時(shí)，電磁吸力為；⑵分辨率高，最小刻度值可達(dá)；⑶零點(diǎn)穩(wěn)定，漂移最小可達(dá)；⑷測(cè)量精度高，輸出線性可達(dá)；⑸輸出功率較大，即使不用放大器，一般也有的輸出值。

電感式傳感器的缺點(diǎn)主要是：傳感器本身頻率響應(yīng)較低，所以它不能用于快速動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量，而且傳感器的分辨率與測(cè)量范圍有關(guān)，測(cè)量范圍愈大，分辨率愈低

5.1自感式傳感器5.1.1工作原理5.1自感式傳感器線圈的電感值可按下式計(jì)算：

對(duì)于變氣隙式電感傳感器，因?yàn)榭諝庀逗穸容^小，且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻為：5.1自感式傳感器因此5.1自感式傳感器的特性曲線為一條直線。圖5-2電感式傳感器的特性曲線5.1自感式傳感器5.1.2輸入——輸出特性.變氣隙型自感式傳感器①單一式變氣隙型自感式傳感器

圖5-3單一式變氣隙型自感傳感器5.1自感式傳感器②差動(dòng)式變氣隙型自感式傳感器圖5-4差動(dòng)式變氣隙型自感式傳感器5.1自感式傳感器2.變面積式型自感傳感器①單一式變面積式型自感傳感器圖5-5單一式變面積型自感傳感器5.1自感式傳感器②差動(dòng)式變面積型自感傳感器圖5-6差動(dòng)式變面積型自感傳感器5.1自感式傳感器3.螺管型自感傳感器①單一式螺管型自感傳感器圖5-7單一式螺管型自感傳感器5.1自感式傳感器②差動(dòng)式螺管型自感傳感器圖5-8差動(dòng)式螺管型自感傳感器5.1自感式傳感器5.1.3等效電路分析圖5-9等效電路5.1自感式傳感器5.1.4測(cè)量電路電感式傳感器將位移等非電量轉(zhuǎn)換為電感的變化，為了將電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，還須選擇適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?。選擇的基本原則時(shí)盡可能使輸出電壓、電流或頻率與被測(cè)非電量成線性關(guān)系。5.1自感式傳感器⑴變壓器電橋圖5-10變壓器電橋5.1自感式傳感器⑵帶相敏整流的交流電橋圖5-11帶相敏整流的交流電橋5.2差動(dòng)變壓器5.2.1工作原理與結(jié)構(gòu)差動(dòng)變壓器其工作原理基于變壓器的原理。差動(dòng)變壓器主要由一個(gè)線框和一個(gè)鐵心組成。在線框上繞有一組一次線圈作為輸入線圈，一次線圈（初級(jí)線圈）上加交變的激勵(lì)電壓，在同一框架上另繞兩組二次線圈作為輸出線圈，二次線圈（次級(jí)線圈）即產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在負(fù)載上輸出相應(yīng)的電壓。在線框中央圓柱孔中放入鐵心，如下圖5-12a所示。5.2差動(dòng)變壓器圖5-12差動(dòng)變壓器5.2差動(dòng)變壓器圖5-13差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)5.2差動(dòng)變壓器圖5-14差動(dòng)變壓器的等效電路5.2差動(dòng)變壓器由圖5-14可見，當(dāng)二次側(cè)開路時(shí)，一次線圈的交流電流復(fù)數(shù)值為（5-21）式中，ω為勵(lì)磁電壓的角頻率；為勵(lì)磁電壓的復(fù)數(shù)值。由于的存在，在鐵心和線圈中產(chǎn)生磁通和，在二次線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)和，其值分別為：（5-22）5.2差動(dòng)變壓器式中，。和分別為通過一次和兩個(gè)二次線圈的磁阻。因此得到空載輸出電壓為：（5-23）其有效值為：（5-24）

只與、有關(guān)。5.2差動(dòng)變壓器⑴等效電路輸出阻抗為：或?qū)懗桑哼@樣差動(dòng)變壓器又可等效為電壓，輸出阻抗的電動(dòng)勢(shì)源。5.2差動(dòng)變壓器⑵靈敏度差動(dòng)變壓器的靈敏度是指差動(dòng)變壓器在單位電壓勵(lì)磁下，鐵心移動(dòng)一單位距離時(shí)的輸出電壓，以v／mm／v表示。一般差動(dòng)變壓器的靈敏度大于50mv／mm／v。5.2差動(dòng)變壓器可采用下列方法提高差動(dòng)變壓器的靈敏度1)提高線圈的品質(zhì)因數(shù)Q值，為此需增大差動(dòng)變壓器的尺寸，一般長(zhǎng)度為直徑的1.2~2.0倍較恰當(dāng)。(2)選擇較高的勵(lì)磁頻率。(3)增大鐵心直徑，使其接近于線圈框架內(nèi)徑，鐵心采用磁導(dǎo)率高、鐵損小、渦流損失小的材料。(4)減少渦流損耗，為此線圈框架采用非導(dǎo)電的且膨脹系數(shù)小的材料。(5)在不使一次線圈過熱的情況下，盡量提高勵(lì)磁電壓。5.2差動(dòng)變壓器⑶頻率特性差動(dòng)變壓器的勵(lì)磁頻率一般從10~50kHz為適當(dāng)。頻率太低時(shí)差動(dòng)變壓器的靈敏度顯著降低。溫度誤差和頻率誤差增加，要進(jìn)行高精度和高靈敏度的測(cè)量比較困難。頻率太高鐵損和耦合電容等的影響增加，具體應(yīng)用時(shí)頻率可在5~400kHz的范圍內(nèi)。勵(lì)磁頻率與輸出電壓有很大關(guān)系，頻率增加引起與二次繞組相聯(lián)系的磁通量變化率增加，它將使差動(dòng)變壓器的輸出電壓增加。另外，增加頻率使一次線圈的電抗增加，這使輸出電壓又有減小的趨勢(shì)。因此只有在某頻率下才能達(dá)到最大輸出，在此頻率附近由勵(lì)磁頻率的變化而引起靈敏度的變化為最小。5.2差動(dòng)變壓器⑷線性范圍理想的差動(dòng)變壓器二次側(cè)輸出電壓應(yīng)與鐵心位移成線性關(guān)系，還希望二次側(cè)的相角為一定值，這一點(diǎn)比較難滿足?？紤]到這種因素，線性范圍約為全長(zhǎng)的1／10左右。采用相敏整流電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理，可以改善差動(dòng)變壓器的線性5.2差動(dòng)變壓器⑸激勵(lì)源波動(dòng)和溫度的影響差動(dòng)變壓器由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的膨脹、收縮、測(cè)量電路的溫度特性等的影響，會(huì)造成測(cè)量精度下降。由于機(jī)械部分熱脹冷縮，影響測(cè)量精度達(dá)到左右，如果要把機(jī)械部分的溫度影響限制在的范圍內(nèi)，則需把差動(dòng)變壓器在使用環(huán)境中放置后方可進(jìn)行測(cè)量。在造成溫度誤差的各項(xiàng)中，影響最大的為一次線圈的電阻溫度系數(shù)，在溫度變化時(shí)．引起一次電流發(fā)生增減，造成二次測(cè)量電壓隨溫度而變化。對(duì)于一次線圈Q值高的差動(dòng)變壓器，由于溫度變化使二次線圈的電阻變化引起的的變化程度較小，可忽略不計(jì)。鐵心的磁特性、磁導(dǎo)率、鐵損、渦流損耗等也隨溫度變化而變化，但數(shù)值較小，亦可略去不計(jì)。5.2差動(dòng)變壓器⑹零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法差動(dòng)變壓器的兩組二次線圈由于反向串聯(lián)，因此當(dāng)鐵心處在中央位置時(shí)，輸出信號(hào)電壓應(yīng)為零的理想特性。但是，在實(shí)際情況中我們研究零點(diǎn)附近的特性，可發(fā)現(xiàn)在所謂“零點(diǎn)”時(shí)，輸出信號(hào)電壓并不是零，而有一個(gè)很小的電壓值．這個(gè)電壓值一般稱為“零點(diǎn)殘余電壓”。5.2差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因①由于兩個(gè)二次線圈結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱，引起兩個(gè)二次電壓的幅值平衡點(diǎn)與相位平衡點(diǎn)兩者不重合。②由鐵心材料B一H曲線的彎曲部分導(dǎo)致輸出電壓中含高次諧波。③勵(lì)磁電壓波形中有高次諧波。5.2差動(dòng)變壓器消除零點(diǎn)殘余電方法①?gòu)脑O(shè)計(jì)和工藝上盡量保證線路和磁路對(duì)稱、結(jié)構(gòu)上采用磁路可調(diào)形式；選用高、低、低的導(dǎo)磁材料，使用經(jīng)過熱處理的導(dǎo)磁體，以消除殘余應(yīng)力，提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性；磁路工作點(diǎn)應(yīng)在線性區(qū)。②采用相敏檢波電路，相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵移動(dòng)方向，亦可消除零殘電壓中的高次諧波成分。③選用補(bǔ)償線路，消除零點(diǎn)殘余電壓可以采用各種形式如圖5-15。歸納起來，加串聯(lián)電阻消除基波同相成分；并聯(lián)電容，改變相移，消除高次諧波分量；加并聯(lián)電阻消除基波中正交成分；加反饋繞組和反饋電容補(bǔ)償基波及高次諧波分量。5.2差動(dòng)變壓器圖5-15差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償線路5.2差動(dòng)變壓器5.2.3測(cè)量電路圖