第三章--互感式传感器

1、3.2,互感式传感器,差动变压器,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,2,1,3,4,螺管型差动变压器,1,初级线圈,2.3,次级线圈,4,衔铁,2,1,3,4,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,原理,电磁感应,M,互感,U,x,位移、流量、振动,L,自感,I,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

2、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,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗,磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路,当次级开路时，初级绕组的交流电流为,R,21,I,e,1,e,21,R,1,M,1,e,2,1,R,1,j,L,1,次级绕组的感应电动势为,e,21,j,M,1,I,1,e,22,j,M,2,I,1,U,由于次级绕组反向串接，故差动变,i,压器输出电压为,e,e,j,M,e,1,2,21,e,22,1,M,2,R,1,j,L,1,I,1,L,21,e,L,1,R,22,1,L,22,M,2,e,22,差动变压器的等效电路,e,1,初级线圈激励电压,L,1,

3、R,1,初级线圈电感和电阻,M,1,M,间的互感,1,分别为初级与次级线圈,1,2,L,21,L,22,两个次级线圈的电感,R,21,R,22,两个次级线圈的电阻,3.2.2,误差因素分析,1,激励电压幅值与频率的影响,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,e,1,e,2,e,21,e,22,j,M,1,M,2,R,1,j,L,1,3,零点残余电压,电压。,x,0,U,0,U,Z,0,定义,把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余,0,x,0,x,零点残余电压的大小是判别传感器质量

4、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,零点残余电压波形,U,U,i,U,Z,a,残余电压的波形,U,Z,1,t,2,3,4,5,t,b,波形分析,1,基波正交分量,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，使其输出的基

5、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,消除零点残余电压方法,P68,1,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,2,选用合适的测量线路,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,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

6、,电容元件，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,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,电阻,R,0,用于调整零点残余电压,整流器件,二极管及由,它们组成的电桥,1,全波电压输出,U,2,U,24,U,68,衔铁上移,E,ab,E,cd,衔铁下移,E,ab,E,cd,U,24,U,68,U,2,0,U,24,U,68,U,2

7、,0,U,2,U,24,U,68,衔铁上移,E,ab,E,cd,衔铁下移,E,ab,E,cd,铁,芯,U,24,在,t,零,U,68,位,以,U,t,2,上,t,U,24,U,68,U,2,0,U,24,U,68,U,2,0,铁,U,24,芯,t,在,U,零,68,位,U,2,t,t,铁,芯,U,24,在,t,零,U,68,位,以,U,2,t,下,t,半波电压输出,a,b,c,d,衔铁上移,正半周二极管均导通,E,ab,E,cd,负半周二极管截止,U,2,0,衔铁下,移,正半周二极管均导通,E,ab,E,cd,负半周二极管截止,U,2,0,2,0,2,0,2,U,U,2,二级管相敏检波电路,参

8、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，且满足,e,1,差动变压器,的输出电压,D,1,R,D,3,R,R,D,2,u,1,u,2,T,2,U,1,T,1,e,2,U,2,参考电压,R,D,4,R,L,当衔铁在中间位置时,0,只有,起作用,D,1,R,R,D,2,u,1,u,2,T,2,0,U,1,D,3,R,T,1,i,4,U,2,R,D,4,R,L,i,3,正半周时,u,1,u,2,i,4,i,3,R,R,L,R,R,L,如果存在零点电,u,1,u,i,i,i,i,i,位,则可以通过调,节,F,点,使,I,O,为,0,D,1,R,R,D,2,u,1,0,U

9、,1,D,3,R,D,4,R,L,i,1,i,2,R,u,2,U,2,T,2,T,1,负半周时,u,2,u,1,i,1,i,2,R,R,L,R,R,L,i,i,i,i,i,当衔铁在零位以上时,与,同频同相,e,1,e,2,T,1,i,4,D,1,R,D,3,R,R,L,R,D,2,0,U,1,R,D,4,u,1,u,2,T,2,U,2,i,3,正半周时,u,2,e,2,u,1,e,2,i,3,i,4,R,R,L,R,R,L,故,i,i,流经,R,L,的电流为,i,i,i,0,U,1,T,1,e,1,e,2,D,1,R,D,3,R,D,2,R,R,R,L,i,1,D,4,u,1,u,2,T,2,

10、U,2,i,2,负半周时,u,2,e,1,i,1,R,R,L,u,1,e,1,i,2,R,R,L,故,i,i,流经,R,L,的电流为,i,i,i,当衔铁在零位以下时,与,同频反相,e,1,e,2,T,1,i,4,D,1,R,D,3,R,R,L,R,D,2,U,1,0,R,D,4,u,1,u,2,T,2,U,2,i,3,u,2,e,2,u,1,e,2,正半周,负半周,i,4,i,3,R,R,L,R,R,L,故,i,i,流经,R,L,的电流为,i,i,i,0,U,1,T,1,e,1,e,2,_,D,1,R,D,3,R,R,L,i,1,R,D,2,R,D,4,u,1,u,2,T,2,U,2,i,2,

11、同理,在,负半周,正半周时,u,1,e,1,u,2,e,1,i,2,i,1,R,R,L,R,R,L,i,i,i,i,i,结论,衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负,半周，在负载,R,L,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,R,L,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,R,L,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,U,1,U,2,同相位时,的波形,U,1,0,t,U,2,0,t,i,1,0,t,i,2,0,t,i,3,0,t,i,4,0,t

12、,i,0,0,t,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,U,L,U,L,0,0,a,x,b,x,相敏检波前后的输出特性曲线,3.2.4,电感传感器的应用,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,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,1,传感器引线,2,铁心套筒,3,磁芯,4

13、,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,轴向电感测微器外形,中原量仪厂,航空插头,红宝石测头,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,

14、测量头,旋转盘,线,圈,三、压力测量,U,A,铁,芯,衔,铁,膜,盒,P,图,3-9,变隙电感式压力传感器结构图,线,圈,1,C,形,弹,簧,管,Q,压力传感器的三,个组成部分,敏感元件,输,出,C,形弹簧管,P,位移,转换元件,调,机,械,零,点,螺,钉,线,圈,2,衔,铁,P,差动变隙自感传感器,电路参数,图,3-10,变隙差动式电感压力传感器,转换电路,变压器电桥,电量,u,0,u,2,Z,Z,差动变压器式压力变送器,5,差动线圈,4,印制线路板,6,衔铁,7,电源变压器,8,罩壳,3,电缆,2,波纹膜盒,1,压力输入接头,9,指示灯,10,密封隔板,11,安装底座,a,外形,b,结构示

15、意图,c,电路原理图,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阻（也称,取样电

16、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,R,L,250.0,则对应于,420mA,的输出电流，输出电压,U,o,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,A,G,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

17、感器在轴承滚柱直径分选中的应用,动画,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,测微仪,圆柱滚子,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,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,3,气缸的控制

18、,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，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,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,0.2,0.4MPa,，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