《传感器技术及应用》课件-项目三 电感式传感器

开封大学PAGEPAGE5项目三电感式传感器Ⅰ课题：电感式传感器的原理及应用课时安排：4课次编号：5、6教材分析难点：二线制仪表的原理、应用重点：电流输出型仪表的计算教学目的和要求1、了解电感传感器的工作原理；2、掌握电流输出型仪表的概念；3、掌握电流/电压转换电路及计算；采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂讨论、分析教具：各种电感传感器各教学环节和内容任务一自感式传感器演示：做以下的实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。图3-1线圈铁心的气隙与电感量及电流的关系实验1—固定铁心2—气隙3—线圈4—衔铁5—弹簧6—磁力线7—绝缘外壳自感传感器常见的形式有变隙式、变面积式和螺线管式等三种，原理示意图分别如图3-1a、b、c所示，螺线管式自感传感器外形如图3-1d所示。提问：对于变隙式电感传感器，电感L与气隙厚度δ成______比，画出变隙式电感传感器的δ-L特性曲线。输入输出是______（线性/非线性）关系。δ小，灵敏度就______。为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器只能用于______位移的测量。图3-2电感传感器的输出特性a）变隙式电感传感器的-L特性曲线b）变面积式电感传感器的A-L特性曲线1－实际输出特性2－理想输出特性二、变面积式电感传感器分析式（3-1），理论上电感量L与气隙截面积A是______（线性/非线性）关系。，灵敏度为______。三、螺线管式电感传感器单线圈螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度l大致成正比。特点与应用范围：结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，适用于测量稍大一点的位移。四、差动电感传感器上述三种电感传感器的缺点：由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。采用差动电感传感器的好处：在实际工作中常采用差动形式，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。提问：单线圈电感传感器与差动式电感传感器的特性比较如图3-4所示。从图3-4可以看出，差动式电感传感器的线性较______，灵敏度较______。图3-4单线圈电感传感器与差动式电感传感器的特性比较1－上线圈特性2－下线圈特性3－L1、L2差接后的特性五、测量转换电路1．差动电感的变压器电桥转换电路差动电感的变压器电桥转换电路如图3-5所示。相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。输入电压约为10V左右，频率约为数千赫，输出电压取自A、B两点。当衔铁处于中间位置时：桥路平衡，输出电压=0。当衔铁下移时：下线圈感抗增加，而上线圈感抗减小时。输出电压绝对值增大，其相位与激励源同相。图3-5差动电感的变压器电桥转换电路衔铁上移时：输出电压的相位与激励源反相。如果在转换电路的输出端接上普通指示仪表时，实际上无法判别输出的相位和位移的方向。（解释普通的指示仪表）任务二差动变压器传感器差动变压器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。图3-7差动变压器结构示意图及外形图1－一次线圈2－二次线圈3－衔铁4－测杆图3-8差动变压器原理图图3-9差动变压器的输出特性及相敏和非相敏输出特性比较1－理想特性2－非相敏检波实际特性3－相敏检波实际特性二、差动变压器的主要特性（1）灵敏度：单位mV/（mmV）。行程越小，灵敏度越高。（2）线性范围差动电感和变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。三、测量电路差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时，无法判别衔铁移动的方向。解决办法：（1）采用差动相敏检波电路；（2）采用图3-11所示的差动整流电路。图3-11差动整流电路及波形a）差动整流电路b）、c）、d）各点电压波形分析差动整流过程：（1）差动变压器的二次电压、分别经VD1～VD4、VD5～VD8两个普通桥式电路整流，变成直流电压Uao和Ubo。由于Uao与Ubo是反向串联的，所以Uc3=Uab=Uao-Ubo该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。RP用来微调电路平衡的。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）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。测微仪器的最小量程为3μm。二、电感式不圆度计电感测头围绕工件缓慢旋转，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3-1