第3章 电感传感

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,检测技术与故障诊断,第,3,章 电感传感器,Inductive Sensors,变磁阻式传感器,电磁感应,被测非电量,自感系数,L,互感系数,M,测量电路,U,、,I,、,f,自感式传感器,互感式传感器,主要内容,3.1,自感式传感器,3.2,差动变压器式传感器,3.3,电感传感器的应用,3.4,工程项目设计实例,3.1,自感传感器,3.1,自感传感器一、工作原理,N,为常数时,L,为磁阻的函数,;,变间隙式传感器,;,变间隙截面积式传感器,电感传感器的基本工作,原理演示,气隙减小，电感变大，电流变小,F,变隙式电感传感器的基本工作,原理,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻,R,m,也较大，线圈的电感,L,及感抗,X,L,较小，所以电流,I,较大。当铁心闭合时，气隙,变小，磁阻变小，电感,L,变大，电流,I,减小。,二、输出特性,Output Characteristics,衔铁下移,/ 1,时，可将前式用泰勒级数展开,求出电感增量,衔铁下移时电感的相对增量增大,衔铁上移时电感的相对增量减小, /,r,），当衔铁工作在螺线管接近中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时绕组的电感量,L,与衔铁插入深度成正比。螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的,1/10,。测杆应选用非导磁材料，电导率也应尽量小，以免增加铁磁损耗和电涡流损耗。,例：采用螺线管电感传感器测量直径为,100mm,的工件是否合格，被测工件的最大允许误差为,1.5mm,，,求：应选长度大于多少毫米的螺线管？,解：,D,=2,1.5mm=3mm,，则螺线管长度为：,l,3mm,10,倍,=30mm,（不包括外壳）。,四、,差动变间隙式电感传感器结构原理,差动变隙式由两个相同的线圈,L1,、,L2,和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。,1.,比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；,2.,差动式非线性项与单线圈相比，多乘了,(/),因子,;,不存在偶次项使,/0,进一步减小，线性度得到改善。,3.,差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。,差动传感器输出特性,五、测量电路,1.,电桥转换电路,两个桥臂由相同线圈组成差动形式，,另外两个为平衡电阻,五、测量电路,1.,电桥转换电路,电桥输出电压,U,0,与气隙变量,有正比关系，,与输入桥压有关，桥压,U,AC,升高输出电压,U,0,增加；,桥路输出电压与初始气隙,0,有关，,0,越小输出越大。,1.,输出电压幅值取决于线圈自感,L,，,2.,输出电压,U,0,与,激励电压,U,i,有关,，应尽可能大；,U,0,与激励频率成正比，中频应用在,400,1000Hz,；,3.,输出电压的正、负（反相）结果，经相敏检波后输出曲线反行程翻转为,过零直线,；,五、零点残差余电压,理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出,U00,，在零点上总有一个最小的输出电压，这个,铁芯处于中间位置时,最小不为零的电压称为,零点残余电压。,为什么会产生零点残余误差,两个绕组的电气参数、磁路参数和集合尺寸不完全对称；,存在寄生参数；,电源电压含有高次谐波；,励磁电流太太使磁路曲线存在非线性,相敏检波电路,参考电压,U,R,起相敏开关电路作用，并能克服检波二极管死区电压对小信号检波的影响。,3.2,差动变压器式传感器,一、结构和工作原理,当衔铁向上移动时，,差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。,当衔铁向上移动时，,当衔铁在中间位置时，,次级开路时，,二、差动变压器主要特性,差动变压器输出电压与互感的差值成正比。,铁芯在中间位置时,铁芯向上移（右移）输出与,U,21,同极性；,差动变压器输出,交流电压,，存在相位问题。,铁芯向下移（左移）输出与,U,22,同极性；,二、差动变压器主要特性,三、交流整流电路,差动变压器的二次电压,u,21,、,u,22,分别经,VD,1,VD,4,、,VD,5,VD,8,组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压,U,a0,和,U,b0,。由于,U,ao,与,U,bo,是反向串联的，所以,U,C3,=,U,ab,=,U,a0,-,U,b0,。,上图中的,RP,是用来微调电路平衡的，,VD,1,VD,4,、,VD,5,VD,8,组成普通桥式整流电路，,3,、,4,、,3,、,4,组成低通滤波电路，,1,及,21,、,22,、,f,、,23,组成差动减法放大器，用于克服,a,、,b,两点的对地共模电压。,整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关：,铁心,T,在中间，,U,a0,=U,b0,，,U,0,=0 ;,铁心,T,上移，,U,a0,U,bo,，,U,0,0,；,铁心,T,下移，,U,ao,U,bo,，,U,0,0,。,差动整流电路的特点：结构简单，可以不考虑,相位调整,和零点残余电压的影响,分布电容影响小，便于远距离传输。,差动整流的特点,电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。,3.3,电感传感器的应用,可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,一、 位移测量,1,引线电缆,2,固定磁筒,3,衔铁,4,线圈,5,测力弹簧,6,防转销,7,钢球导轨（直线轴承）,8,测杆,9,密封套,10,测端,11,被测工件,12,基准面,1.,电感测厚仪,L,1,、,L,2,传感器作两个桥臂；,C,1,、,C,2,为另外两个桥臂；,D,1,-D,4,组成相敏整流器,;,磁饱和变压器,T,提供桥压。,被测厚度正常时，,L,1,= L,2,，,U,c,=U,d,，,I,M,= 0,；,设厚度变化，,T,上移，,L,1,L,2,，,Z,1,Z,2,正半周,（,a+,，,b-,）,时，,D,1,、,D,4,导通，,I,1,I,4,；,负半周,（,a-,，,b+,）,时，,D,2,、,D,3,导通，,I,3,I,2,；,无论极性如何始终有,Ud,Uc ,电流方向,若,T,下移,L,1,L,2,，,Z,1,Z,2,Ud,Uc,，电流方向,2.,液位测量,沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,二、圆度测量,三、压力测量,220V,电源变压器的二次侧经桥式整流、电解电容滤波后，输出电压经三端稳压集成块转变成稳定的,18V,直流电压，为差动变压器的交流激励源提供能源。也可以用开关电源来代替以上的降压、整流、稳压环节。当被测工件的直径,D,为标准值时，,u,21,=,u,22,，,U,AC,=0,。当被测工件的直径,D,增大时，,u,21,增大，,u,22,减小，在滤波电容上合成的电压,U,AC,为上正下负的直流电压。幅值与,D,的增量成正比。,D,减小时，,U,AC,为上负下正。再经,U/I,转换器，将输出电压转换成,420mA,的标准输出电流,I,o,。,若取样电阻,R,L,=250.0,，则对应于,4,20mA,的输出电压,U,o,为,1,5V,。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。,四、二线制仪表,420mA,二线制仪表的,HART,数字通讯,例：,某两线制电流输出型温度变送器的产品说明书注明其量程范围为,0,1000,，对应输出电流为,4,20mA,。求：当测得输出电流,I,=12mA,时的被测温度,t,。,解,因为该仪表说明书未说明线性度，所以可以认为输出电流与温度之间为线性关系，即,I,与,t,的数学关系为一次方程，所以有：,I,=,a,0,+,a,1,t,当,t,=0,时，,I,=4mA,，所以,a,0,=4mA,当,p,=1000,时，,I,=20mA,，,20= 4+,a,1,1000,，可得：,a,1,=0.016mA/,，,所以该压力变送器的输入,/,输出,方程为：,I,=4mA+0.016( mA/,),t,将,I,=12mA,代入,I,=,a,0,+,a,1,t,，得：,p,=,(,-,4mA)/,a,1,=(12,-,4)/0.016,=500,。,温度变送器的输入,/,输出曲线,解,I,=,a,0,+,a,1,p,，,x,轴为温度坐标，,y,为电流坐标。,当,t,=0,时，,I,=4mA,，,当,t,=1000,时，,I,=20mA,，作一次直线：,最大的负载电阻的计算,常见的一次仪表本身所需的最低工作电压为,12V,左右。如果电源为,36V,，那么负载电阻两端的压降最大只能达到,24V,，则负载电阻最大为,R,L,(36V-12V)/20mA,1200,如果考虑传输电路会有一些压降，则负载电阻的最大值将随传输电路的电压降增大而减小。,3.4,案例,电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用,滚柱的标称直径为,10.00mm,，允许公差范围,3,m,超出公差范围均予以剔除，分别落入正偏差和付偏差两个废料箱中；,公差范围内，滚柱直径从,9.99710.003mm,，分为,AG,共,7,个等级，分别落入对应的,7,个料箱中。滚柱直径测量的绝对误差应小于,0.5,m,电感式滚柱直径分选装置,电感式滚柱直径分选装置,测微仪,圆柱滚子,电感式滚柱直径分选装置,落料振动台,滑道,分选仓位,废料仓,信号调理电路的设计,本章作业,P82-84,习题,3-4,习题,3-5,习题,3-7,