项目四 位移信号的检测与控制

1、项目四项目四 位移信号的检测与控制位移信号的检测与控制 在机械生产、电力生产和冶金工业生产中，常需要对机件的直线位移和角位移进行检测和控制以便保障安全生产、提高产品质量、提高劳动生产率。例如电力生产中，发电机的轴向位移必须控制在一定范围内，否则会出现定、转子绕组摩擦，造成绝缘损毁短路等事故，影响正常发电。而机械生产和冶金生产中的限位保护，也常以位移测量和控制为基础。本项目主要对位移信号检测方法、检测装置的安装调试与检修进行阐述。任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制一、目的要求一、目的要求 1.掌握电容位移传感器的工作原理； 2.掌握电容位移传感器的安装、使

2、用及维护； 3.电容位移传感器需要达到以下要求：准确度1.0级，环境温度-2050，相对温度5%95%，被测介质温度-2050，被测位移为10100m。二、相关知识二、相关知识 以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、适应性强及价格便宜等特点。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。常见的电容式传感器如图4.1.1所示。任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制 二、相关知识二、相关知识 电容传感器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，设两极板相互覆盖的有

3、效面积为A，两极板间的距离为d，极板间介质的介电常数为，如果不考虑边缘效应, 其电容量为C=A/d 式中:电容极板间介质的介电常数,=0r, 其中0为真空介电常数,r为极板间介质相对介电常数； A两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。 由上式可见，、A、d三个参数都可以影响电容的大小。如果保持其中两个参数不变，而是另一个参数改变，则电容就会发生变化。如果变的参数与被测量之间存在一定函数关系，那么被测量的变化就可以直接由电容的变化反映出来。常用的电容传感器有变极距式电容传感器和变面式电容传感器两种进行位移测量。任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制 二

4、、相关知识二、相关知识1. 变极距电容传感器 图4.1.2为变极距式电容传感器的原理图。移动极板与被测物相连，当被测物发生位移时引起移动极板的位移，使得两极板间的距离d发生变化，从而改变电容C。设该电容的初始电容C0可由下式表达，即C0=A/d传感器的这种变化关系呈非线性，如图4.1.3所示。任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制 二、相关知识二、相关知识1. 变极距电容传感器这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4.1.4所式。 当极板初始距离由d0减少d时，则电容量相应增加C，即C0+C=0 A/（d0-d） 电容相对变化量C/Co为C/C

5、0=d（1-d/d0）-1/d0 由于d/d1，在实际使用时常采用近似线性处理，即C/C0=d/d0 此时产生的相对非线性误差o为任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制 二、相关知识二、相关知识1. 变极距电容传感器 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。 为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图4.1.5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=d

6、0，则C1=C2=C0，当被测物发生位移时，活动极板就会发生移动d,则d1=d0-d,d2=d0+d,使得两个电容器的电容量一个增大、一个减小，采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为 C/C0=（C1-C2）/C0=2d/d0传感器的相对非线性误差o为任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制 二、相关知识二、相关知识2.变面积式电容传感器 图4.1.7是角位移变面积型电容传感器示意图。它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为 C=A

7、/d 图4.1.6是一直线位移型变面积式电容传感器结构示意图，当移动极板移动x后，覆盖面积就发生变化，电容也随之变化其值为C=b(a-x)/d=C0-bx/d任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制三、器件及测量电路选择三、器件及测量电路选择 电容式位移传感器的选择应根据现场需要，考虑所测位仪的量程、安装条件、环境、温度、价格等因素综合选取。电容传感器常用的测量电路如图4.1.8所示。利用电桥平衡原理，将差动电容传感器的C1和C2分别接入电桥中，当被测物没有移动时，电桥平衡，输出为0；当被测物发生位移时，电容的值就会发生变化，电桥失去平衡，输出信号经过放大送入

8、主控箱或PLC中显示。任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制四、安装和调试及检修四、安装和调试及检修 安装及使用方法 拉杆式位移传感器可以任意方向安装如图4.1.9所示，首先将传感器壳体放在参照物(基准)的安装支架孔里，使转感器壳体和被测物移动的方向保持一致，根据传感器的量程，估算大致的间隙，然后用螺母将拉杆和被测物固定起来，通上电源等传感器稳定下来，再慢慢的移动传感器壳体，使传感器的输出零位对应于被测物机械零位，然后将传感器壳体夹紧(不可松动)，安装好就可以通过计算机数据采集对被测物的位移进行检测或监测或PLC进行系统控制，回弹式位移传感器和拉杆式位移传感

9、器安装基本相似。任务一任务一 电容位移传感器的信号检测与控制电容位移传感器的信号检测与控制四、安装和调试及检修四、安装和调试及检修 2传感器的调试 位移传感器安装好后，先进行初始值的调节，将拉杆调到被测物的初始值，再将电路中的电桥调节平衡，使输出为0即可，这样当被测物发生位移时输出信号就会发生变化。五、评分标准五、评分标准练习与思考练习与思考1，什么叫电容传感器。2.简述电容传感器的工作原理。3.用电容式传感器能否测量角位移？若能，需采用什么样的结构形式？4.为什么变面积式电容传感器测量位移范围较大？5.为了提高传感器的灵敏度可采用什么措施？任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪一、目的要

10、求一、目的要求 1.掌握差动电感测微仪的工作原理； 2.掌握差动电感测微仪的安装、使用及维护； 3.差动电感测微仪需要达到以下要求：准确度：1.0级；环境温度：-2050；相对温度：5%95%；被测介质温度：-1040。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线

11、对模拟量的智能控制。LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。二、相关知识二、相关知识任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪 LVDT线性位移传感器的特点：（1）无摩擦测量，原理直观、结构简单、工作可靠、使用寿命长；（2）灵敏度高、线性范围宽、重复性好；（3）无限分辨率，应用广，适合于不同的应用；（4）结构对称、零位可恢复。二、相关知识二、相关知识 电感式传感器主要用于位移测量和可以转换

12、成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管型。常见的差动电感传感器如图4.2.1所示。任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪 差动电感测位仪的内部结构与差动变压器相同。差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。差动变压器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间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改变而变化。线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0；当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈

13、产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。如图4.2.2所示。二、相关知识二、相关知识任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪 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)，它的等效电路如图4.2.3所示。图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感；L1、R1分别

14、为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21, R22分别为两个二次绕组的有效电阻。 对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。 当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。二、相关知识二、相关知识图4.2.3 差动变压器的等效电路任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪 1.变间隙型二、相关知识二、相关知识

15、 图4.2.4（a）所示的传感器即为变间隙型的差动变压器结构，可用于测量线位移。它的优点是灵敏度高，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移；缺点是示值范围小，非线性严重。由于这些缺点，近年来这种类型差动变压器的使用逐渐减小。 2.变面积型 图4.2.4给出了两种变面积型的差动变压器的结构形式，可用于测量角位移。图4.2.4(b)为E型微动同步器，图4.2.4 (c)为四极微动同步器，另外还有八极、十六极等。微动同步器是旋转变压器式传感器，如图4.2.4 (c)的结构是由四个极的定子和有两个极的特殊形状的转子所组成。在定子四个极上的四只匝数相同的线圈串接成初级绕组，而另四只匝数相同的线圈串接成次

16、级绕组。当对初级绕组激励时，由于转子的转动，引起在次级绕组感生电动势，四对初、次级线圈就构成了四个变压器。按照一定的接法，就可得到与转角成正比的输出电压。任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪二、相关知识二、相关知识 2.变面积型任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪 3.螺管型二、相关知识二、相关知识 螺管型差动式变压器与前两种差动变压器相比，虽然灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可以自由安排，制造装配也较方便，因而获得了广泛的应用。螺管型差动变压器按绕组排列方式分有二节式、三节式、四节式和五节式。二节式的灵敏度较高，线性范围较大，三节式的零点误差较小，四节式和五节式可以改善传感器

17、的线性。 图4.2.4 (d)给出了三节式螺管型差动变压器的基本结构。在众多的结构形式中，由于三节式螺管型差动变压器有输出与位移基本上成正比等优点，所以使用最多。它的灵敏度随激励频率的增加而增加(一般工作在400Hz10kHz之间较好)。不管绕组排列方式如何，其主要结构都是由三大部分组成:线圈绕组(包括初级绕组和次级绕组)、可移动衔铁和导磁外壳。对这种差动传感器的结构要求是:两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同，两个线圈的电气参数(如电感、匝数、铜电阻等)和几何尺寸也要完全相同。任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪 3.螺管型二、相关知识二、相关知识 经差动处理后，传感器具有下

18、列优点:灵敏度提高一倍。即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。线性得到明显改善。对温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于可互相抵消而减小。电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。三、器件及测量电路选择三、器件及测量电路选择 常见的差动电杆传感器的测量电路有以下两种。 差动相敏检波电路 图4.2.5所示差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的复制尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的3-5倍。图4.2.5 差动相敏检波电路任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪三、器件及测量电路选择三

19、、器件及测量电路选择2差动整流电路图 差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远距离传输。图4.2.6是差动整流的两种典型电路。图a是简单方案的电压输出型。为了克服上述电路中二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响，可以采用图b所示电路。任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪四、安装和调试及检修四、安装和调试及检修1安装时需注意的问题 （）LVDT的安装与方向无关。最好不与强电磁场接近和不在对金属有强烈腐蚀作用的环境下使用。 （）被测点的运动轨迹最好是与LVDT测杆的轴线平行，否则须注意使与测头相接触的平面是个高光洁度的平面，并且该平面与测杆垂直，以避免由于测杆与不平的平面接触点位置的变化，引入测量误差。 （）传感器的插座在机箱的后面板上，把LVDT插头上带有定位的标志，正好与插座上定位部分相对，插入仪器面板的相应插口内，然后拧紧其上的螺母。插入时两者一定要对准，方可插入，千万别在还没对准时就用力插，那样很容易损坏插头座。拔插头时请先松开螺母，直接朝外拔。任务二任务二 差动电感测微仪差动电感测微仪四、安装和调试及检修四、安装和调试及检修1安装时需注意的问题 （）安装时把LVDT的壳体固定在被测点的参照物上，使测杆夹固或顶在被测点上。安装LVDT时，可移动壳体的位置，使被测物的预计变位范围