第三章互感式传感器课件.ppt

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1、3.2.1 互感式传感器的结构与工作原理 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。目前多采用螺管型差动变压器。,3.2 互感式传感器-差动变压器,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,螺管型差动变压器,工作原理类似于变压器。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。,初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。,原理:电磁感应,M(互感),差动变压器的等效电路,差动变压器工作在理想情况

2、下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻,当次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为,1、激励电压幅值与频率的影响,3.2.2 误差因素分析,2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。因此，采用差动电桥可以减少温度的影响。,3、零点残余电压定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余 电压

3、。（x0， U0UZ0),零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志之一 。因为如果零点残余电压过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大。所以，在制造传感器时，要规定其零点残余电压不得超过某一定值。,例如某自感测微仪的传感器，经200倍放大后，在放大器末级测量，零点残余电压不得超过80mv 。,仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压太大，就要进行调整。,1 基波正交分量,(a)残余电压的波形,(b)波形分析,Ui,UZ,2 基波同相分量,3 二次谐波,4 三次谐波,5 电磁干扰,零点残余电压波形,零点残余电压产生原因P68：基波分量 两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对称，使

4、其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。高次谐波 由于导磁材料(铁心)磁化曲线(B-H特性)的非线性 、磁滞损耗和两线圈磁路的不对称，造成两线圈中某些高次谐波成分不一样，不能互相抵消 激励电流波形失真，其内含高次谐波分量,1从设计和工艺上保证结构对称性 力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。,消除零点残余电压方法：P68,相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时的零点残余电压消除掉。,2选用合适的测量线路,3采用补偿线路,在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件

5、，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。,补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。,补偿零点残余电压的电路,3.2.3测量电路,能辨别移动方向 消除零点残余电压 （1）差动整流电路 （2）相敏检波电路,1 差动整流电路,电阻R0用于调整零点残余电压。,整流原理:把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,整流器件:二极管及由它们组成的电桥。,U2=U24- U68,（1）全波电压输出,U2=U24- U68,（2）半波电压输出,a,b,c,d,参考电压和差动变压器的输出电压同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满

6、足,2 二级管相敏检波电路,参考电压,差动变压器的输出电压, 当衔铁在中间位置时，=0,只有起作用。,如果存在零点电位,则可以通过调节F,点,使IO为0,+,i1,i2,当衔铁在零位以上时，与同频同相。,i4,i3,i1,i2,D2,u1,u2,+,R,-,RL,R,D3,D1,D4,R,R,T1,T2,-,+,e1,e2,+,-,+,-,当衔铁在零位以下时，与同频反相,i4,i3,同理:在负半周正半周时：,i ii= i i ,i1,i2,D2,u1,u2,+,R,-,RL,R,D3,D1,D4,R,R,T1,T2,-,+,e1,e2,_,+,-,+,结论：衔铁在中间位置时，无论参考电压是正

7、半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,二级管相敏检波在U1、U2同相位时的波形,相敏检波前后的输出特性曲线,（a）,经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（a）变成（b），残存电压自动消失。,（b）,能转换成位移变化的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸等，可用电感传感器来测量。,3.2.

8、4 电感传感器的应用,1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测杆9 密封件 10玛瑙测端11被测工件 12基准面,轴向电感测微器内部结构,一、位移测量 测量时红宝石（或钨钢、玛瑙）测端接触被测物，被测物尺寸的微小变化使衔铁在差动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化，此电感变化通过电缆接到交流电桥，电桥的输出电压反映了被测体尺寸的变化。,轴向电感测微器外形,航空插头,红宝石测头,中原量仪厂,航空插头就是连接器，即电缆接插件，插头一般指不固定的那一半。因最初用在航空领域而得名。,其他电感测微头,二、电感式不圆度计 图为测量轴类

9、工件不圆度的示意图.电感测头2围绕工件1缓慢旋转，也可以是测头固定不动，工件绕轴心旋转。耐磨测端（多为钨钢或红宝石）与工件接触。信号经计算机处理后给出图b所示图形。该图形按一定的比例放大工件的不圆度，以便用户分析测量结果。,测量头,旋转盘,图3-9 变隙电感式压力传感器结构图,三、压力测量,图3-10变隙差动式电感压力传感器,敏感元件：C形弹簧管 P 位移转换元件：差动变隙自感传感器 电路参数转换电路：变压器电桥 电量,Q：压力传感器的三个组成部分？,差动变压器式压力变送器,a)外形 b)结构示意图 c)电路原理图,6衔铁,1压力输入接头,2波纹膜盒,3电缆,4印制线路板,5差动线圈,7电源变

10、压器,8罩壳,9指示灯,10密封隔板,11安装底座,半波差动整流电路、低通滤波电路,压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，并安装在检测现场，在工业中经常被称为一次仪表，可接入二次仪表加以显示。 由于上述一次仪表输出的信号(电压，也可以是电流)既易于处理，又符合国家标准，所以这类标准化的传感器或仪表又称为变送器。变送器的输出信号可直接与电动过程控制仪表，例如与DDZ-调节器连接。,两线制仪表： 所谓两线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根为+24V电源线，另一根既作为电源负极引线，又作为信号传输线。二线制仪表接线方法： 在信号传输线的末端通过一只标准负载电

11、阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。两线制仪表的接线方法如图所示。,420mA二线制数显表外形及计算,在上图中，若取样电阻RL =250.0，则对应于420mA的输出电流，输出电压Uo为15V。,工程项目设计实例,电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用一 课题要求及主要技术指标 某轴承公司希望对本车间生产的汽车用滚柱的直径进行自动测量和分选. 滚柱的标称直径为10.000mm，允许公差范围为3m。 在公差范围内，滚柱的直径从9.997mm至10.003mm，分为AG共7个等级，分别落入7个料箱中。 滚柱的分选速度为60个/min,电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应

12、用,图 滚子直径分选机的工作原理示意图1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10滚柱的公差分布 11容器（料斗） 12气源处理三联件,动画,测微仪,圆柱滚子,2滚柱的推动与定位 气缸的活塞在高压气体的推动下，将滚柱快速推至电感测微器的测标下方的限位挡板位置。使用“钨钢测头”延长测端的使用寿命。,二、设计方案及步骤（一）机械结构的设计1测微器的选择 由于被测滚柱的公差变化范围只有6m，传感器所需要的行程较短，所以可以选择线圈骨架较短、直径较小的型号。,3气缸的控制 气缸正向工作时有进气口，出气口，反向工作的时候，原来的出气口就成了进气口，

13、原进气口就成了出气口。这样就需要一个换向阀(二位五通)，二位表示二个工作状态，五通就是5个气口,气缸及二位五通电磁阀,4落料箱翻板的控制 按设计要求，落料箱共9个，分别是-3m、-2m、-1m、0m、1m、2m、3m以及“偏大”、“偏小”废品箱（图中未画出）。它们的翻板分别由9个交流电磁铁控制。,（二）电信号处理电路设计 本设计采用相敏检波电路，该电路能判别电感测微仪的衔铁运动方向。当误差为正值时，它的输出电压亦为正值，反之为负值。,三、系统的调试1.传感器的安装高度调试 将标准件（直径10.000mm）置于测微仪的钨钢测头的正下方，调节测微仪的安装高度，使计算机显示屏上的读数尽量接近“0.0

14、”m，并完成软件置零。,2.灵敏度调试 分别将预先用精密光学测量仪器标定的3m和-3m的滚柱置于钨钢测头下方，改变程序中的灵敏度系数，完成“标定”的过程。“3.活塞行程控制 调节气缸的前后位置和供气三联件上的气压开关（约0.20.4MPa），使行程合乎设计标准。,4.测量速度的调试 将一批已知直径的滚子放入振动料斗中，在显示屏上输入“电磁阀动作频率”，逐渐提高气缸活塞的往复速度。并测量动态误差。5.电磁铁翻板的调试 将不同直径误差的滚柱置于钨钢测头下方，启动测试软件后，对应的电磁铁翻板应立即打开，等待滚柱落入其中。如翻板的开启角度不正确，可微调电磁铁的“拉杆”长度。,四、误差分析和对策 该测试系统的误差主要由以下几个部分组成：机械误差、测微器、激励源、放大器、A/D转换器等，总的误差由以上几项合成。 通常情况下，机械未调准引起的误差可达2，激励源频率和幅度的漂移可达1以上，信号放大器的误差小于0.5，12位A/D转换器的误差小于0.1。 恒值误差可以利用软件予以消除。 变值误差的表现主要有两种：一是温漂，二是机械振动引起的安装位置漂移。,