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传感器与检测技术第二版胡向东著

发布日期:2020-08-19 08:47

  传感器与检测技术第二版胡向东著_工学_高等教育_教育专区。第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻电感式传感器 4.2 4.3 差动变压器电感式传感器 涡流式传感器 返回 下页 电感式传感器是建立在电磁感应的基础上,利用线 圈自感或互感的改变来实现非

  第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻电感式传感器 4.2 4.3 差动变压器电感式传感器 涡流式传感器 返回 下页 电感式传感器是建立在电磁感应的基础上,利用线 圈自感或互感的改变来实现非电量的检测。 主要介绍利用变磁阻电感式(自感式)传感器,利 用互感原理的互感式传感器(通常称为差动变压器式传感 器),利用涡流原理的电涡流式传感器。 返回 上页 下页 4.1 变磁阻电感式传感器 4.1.1 工作原理 变磁阻电感式传感器是把被测量的变化通过磁阻的 变化转换成自感L的变化,通过一定的转换电路转换成 电压或电流输出。 返回 上页 下页 线圈中电感量可由下式确定: N? L? ? I I ? (4-1) 根据磁路欧姆定律: ? ? IN Rm 式中, Rm为磁路总磁阻。 (4-2) 气隙很小,可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损, 则磁路总磁阻为 L1 L2 2? Rm ? ? ? ?1 A1 ?2 A2 ?0 A0 返回 (4-3) 上页 下页 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 2? l1 ? ?? ? 0 A0 ?1 A1 ? ? ? 2? l2 ? ?? ? 0 A0 ? 2 A2 ? ? 则式(4-3)可写为 (4-4) 2? Rm ? ?0 A0 N 2 N 2 ?0 A0 L? ? Rm 2? 返回 (4-5) 联立式(4-1)、 式(4-2)及式(4-5), 可得 (4-6) 上页 下页 N 2 N 2 ?0 A0 L? ? Rm 2? 上式表明:当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁 路中磁阻 Rm 的函数,改变 δ 或 A0 均可导致电感变化, 因此变磁阻电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感 器和变气隙面积A0的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度电感式传感器。 返回 上页 下页 差动变隙式电感传感器的原理结构图 返回 上页 下页 差动变隙式自感传感器的工作原理如下: ① 初态时:若结构对称,且动铁居中,则 ② 动铁上移时:则 ︱ 返回 上页 下页 ③ 动铁下移时:同理可得 U O ? IZL ? ?2?IZL ? 动铁位移时,输出电压的大小和极性将跟随位移的变化 而变化。输出电压不但能反映位移量的大小,而且能反 映位移的方向。 ? 输出电压正比于2△I,因而灵敏度较高,非线性减小。 返回 上页 下页 4.1.2 输出特性 L与δ之间是非线性关系, 特性曲线? L L0+?L L0 L0-?L o ??-?? ?? ??+?? ? 图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性 返回 上页 下页 分析: 当衔铁处于初始位置时,初始电感量为 ?0 A0 N 2 L0 ? 2? 0 输出电感为 (4-7) 当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小,即δ=δ0-Δδ, 则此时 N 2 ?0 A0 L0 L ? L0 ? ?L ? ? 2(? 0 ? ?? ) 1 ? ?? (4-8) ?0 返回 上页 下页 当Δδ/δ01时(泰勒级数): ? ?? ? ?? ?2 ? ?? ? L ? L0 ? ?L ? L0 ?1 ? ?? ?? ? ? ?0 ? ?0 ? ? ?0 ? ? ? ? ? ? ? ? ?? (4-9) ? ? ? 3 可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式,即 2 ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ?L ? L0 ?? ? ?? ?1 ? ? ? ?0 ? ?0 ? ?0 ? ? ? ? 2 ? ? ?L ?? ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ?1 ? ? ? L0 ?0 ? ?0 ? ?0 ? ? ? ? (4-10) (4-11) 返回 上页 下页 同理,当衔铁向下移动Δδ时,有 2 ? ?? ?? ? ?? ? ? ?? ? ?L ? L0 ?? ?? ?1 ? ? ? ?0 ? ?0 ? ?0 ? ? ? ?0 ? 2 ? ?L ?? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?? ?1 ? ? ? L0 ?0 ? ?0 ? ?0 ? ? ? ?0 ? 3 ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 3 (4-12) ? ? ? ? ? ?? ? ? ? (4-13) 对式(4-11)、(4-13)作线性处理,即忽略高次项后,可得 ?L ?? ? L0 ?0 返回 上页 (4-14) 下页 灵敏度为 ?L L0 1 K? ? ?? ? 0 结论: (4-15) 变气隙电感式传感器的测量范围与灵敏度及线性 度相矛盾,因此变气隙电感式传感器适用于测量微小 位移的场合。 ?? ? (0.1 ~ 0.2)? 0 返回 上页 下页 ? ? 与 K0 ? 衔铁上移 – 切线斜率变大 – 灵敏度增加 ? 衔铁下移 – 切线斜率变小 – 灵敏度减小 L L0+?L L0 L0-?L o ??-?? ?? ??+?? ? 返回 上页 下页 ? ? 与线性度 ? 衔铁上移: ? ?L ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? L0 ?非线 ? 衔铁下移: ? ?L ? ? ?? ? ? ?? ? ? -? ? ? ? ?? ? - ? L0 ?非线 ? 无论衔铁上移或下移,非线性都将增大。故实际应用 中广泛采用差动式结构。 返回 上页 下页 ? 差动式电感传感器的电感变化量为 N 2 ?0 S N 2 ?0 S ?L ? L1 ? L2 ? ? 2(? 0 ? ?? ) 2(? 0 ? ?? ) N 2 ?0 S ?0 ?0 ? ( ? ) 2? 0 ? 0 ? ?? ? 0 ? ?? ? 2 L0 ?? ?0 1 ? ( 1 ?? ?0 )2 电感的相对变化量为 ?L ?? 1 ?2 L0 ? 0 1 ? ( ?? )2 ?0 返回 上页 下页 当 ?? ?0 ?? 1 时,上式用泰勒级数展开成级数形式为 ?L ?? ?2 L0 ?0 ? ?? 2 ?? 4 ?? 8 1 ? ( ) ? ( ) ? ( )? ? ?0 ?0 ?0 ? ? ? ? ? 3 ? ? ? 2 ? ?? ? 非线 < ? ?? ? ?L / L0 ? ? ?? ? ? ? 0 ? ? 灵敏度:忽略高次项 ?L ?? ?2 L0 ?0 其灵敏度为 ?L / L0 2 K? ? ?? ?0 返回 上页 下页 比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性, 可以得到如下结论: ? 差动式比单线倍。 ? 差动式的非线性得到 明显改善。 返回 上页 下页 4.1.3 测量电路 电感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感的 变化,为了测出电感的变化,同时也为了送入下级电路 进行放大和处理,就要用转换电路把电感转换为电压或 电流的变化。一般,可将电感变化转换为电压(电流)的 幅值、频率、相位的变化,它们分别称为调幅、调频、 调相电路。 电路类型主要有:交流电桥、变压器电桥和谐振式 测量电路。 返回 上页 下页 1. 变压器电桥 Uo ? U A ? U B ? Z1 1? ?? ? ?U ? Z1 ? Z 2 2 ? Z1 ? Z 2 U ? ? Z1 ? Z 2 2 返回 上页 下页 U o ? 0 ,说 ① 初态时:由于动铁居中即 Z1 ? Z 2 ? Z, 明电桥处于平衡状态。 ② 动铁芯上移时:则 代入式得 Z ? ?Z 1? ?Z ? Uo ? ? ? ?U ? U 2Z ? Z ? ?Z ? Z ? ?Z 2 ? ③ 动铁芯下移时:同理可得 Z ? ?Z 1? ?Z ? Uo ? ? ? ?U ? ? U 2Z ? Z ? ?Z ? Z ? ?Z 2 ? ? 输出电压的大小反映动铁位移的大小,输出电压的极性反 映动铁位移的方向。 返回 上页 下页 2. 带相敏整流的交流电桥 基本测量电桥输出特性曲线 接成差动形式的电 桥,当铁心处于平衡位 置时,输出电压不为零, 而是一个很小的数值 Δ U0,这个值称为零点 残余电压。 返回 上页 下页 零点残余电压形成的原因: ? 两线圈等效参数(R、L)不对称; ? 工作电压中含有高次谐波; ? 磁路本身存在非线性(铁心材料磁化曲线弯曲部 分); ? 存在寄生参数; ? 工频干扰 危害: ? 灵敏度↓ ? 非线性误差↑ ? 放大器饱和 返回 上页 下页 零点残余电压的消除: ? 提高线圈及其骨架的对称性; ? 减少电源中的谐波成分; ? 选择理想的磁性材料,适当降低线圈的激励电流,使 衔铁尽可能工作在磁化曲线的线性区; ? 采用适当的补偿电路(Rp、RC等); 返回 上页 下页 零点残余电压补偿电路 返回 上页 下页 ? 带相敏整流的交流电桥 为了既能判别衔铁位移的大小,又能判断出衔铁位移 的方向,通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路,把 测量桥的交流输出转换为直流输出,而后用零值居中的 直流电压表测量电桥的输出电压。 返回 上页 下页 ①当衔铁处于中间位置时,即Z1=Z2=Z,由于桥路结构 对称,此时UB=UC,即Uo=UB-UC=0。 ②当衔铁上移时,Z1增大,Z2减小,即Z1=Z+?Z,Z2=Z-?Z 。 ? 如果输入交流电压为正半周,电路中二极管VD1、VD4导 通,VD2、VD3截止,电流方向I1和I2,因Z1>Z2,所以I1< I2,此时 ? ? 同理,如果输入交流电压为负半周, U0<0 可见无论电源正半周或负半周,测量桥的输出状态不变, 输出均为U0<0,此时直流电压表反向偏转,读数为负,表明 衔铁上移。 返回 上页 下页 ③ 当衔铁下移时,Z1减小,Z2增大,即Z1=Z-?Z, Z2=Z+?Z ? 当输入交流电压为正半周时,因为Z2>Z1,所以I1>I2, 此时 ? 当输入交流电压为负半周时,同理可分析出U0>0。 这说明无论电源正半周或负半周,测量桥的输出状 态不变,输出均为U0 >0,此时直流电压表正向偏转,读 数为正,表明衔铁下移。 返回 上页 下页 可见采用带相敏整流的交流电桥,得到的输出信号既 能反映位移大小,也能反映位移的方向,其输出特性如图所 示。由图可知,测量电桥引入相敏整流后,输出特性曲线通 过零点,输出电压的极性随位移方向而 发生变化,同时消除了零 点残余电压,还增加了线 性度。 返回 上页 下页 3. 谐振式测量电路 分为:谐振式调幅电路和谐振式调频电路。 调幅电路特点:此电路灵敏度很高, 但线性差,适用于 线性度要求不高的场合。 C ? U o L ? U T ? U o O L0 L (a ) (b ) 谐振式调幅电路 返回 上页 下页 调频电路:振荡频率 f ? 1/(2? LC ) 。 当 L 变 化 时 , 振荡频率随之变化,根据f 的大小即可测出被测量的值。 具有严重的非线性关系。 f C L G f o (a ) (b ) L 谐振式调频电路 返回 上页 下页 4.1.4 变磁阻电感式传感器的应用 当压力进入膜盒时,膜 盒的顶端在压力P的作用下 产生与压力P大小成正比的 位移,于是衔铁也发生移 动,从而使气隙发生变化, 流过线圈的电流也发生相 应 的 变 化 ,电 流 表 A 的指 示值就反映了被测压力的 大小。 变气隙电感式压力传感器结构图 返回 上页 下页 变气隙差动电感式压力传感器 当被测压力进入 C 形弹 簧管时,C形弹簧管产生变 形 , 其 自 由端 发 生 位 移 , 带 动 与 自 由端 连 接 成 一体 的衔铁运动,使线 中的电感发生大小相等、 符 号 相 反 的变 化 。 即 一个 电 感 量 增 大, 另 一 个 电感 量 减 小 。 电感 的 这 种 变化 通过电桥电路转换成电压 输 出 。 由 于输 出 电 压 与被 测 压 力 之 间成 比 例 关 系 , 所 以 只 要 用检 测 仪 表 测量 出输出电压, 即可得知被 测压力的大小。 返回 上页 下页 电感测微仪:测量杆与衔铁连接,工作的尺寸变化或微小位 移经测量杆带动衔铁移动,使两线圈内的电感量发生差动变化, 其交流阻抗发生相应的变化,电桥失去平衡,输出一个幅值与位 移成正比、频率与振荡器频率相同、相位与位移方向对应的调制 信号。 动态测量范围为± 1mm,分辨率为1um ,精度可达到3%。 铁芯1 线 弹簧 R U 衔铁 测量杆 工件 线 电感测微仪 返回 上页 下页 4.2 差动变压器 电感式传感器 将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为 互感式传感器。这种互感传感器是根据变压器的基本原 理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动 变压器式传感器,简称差动变压器。在这种传感器中, 一般将被测量的变化转换为变压器的互感变化,变压器 初级线圈输入交流电压,次级线圈则互感应出电动势。 差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和 螺线管式。 返回 上页 下页 4.2.1 螺线管式差动变压器工作原理 1—初级线—次级两差动初线—线—活动衔铁 返回 上页 下页 ? 当一次线圈加以适当频率的电压激励时,在两个二次线 圈中就会产生感应电动势,如果变压器结构完全对称,则 当活动衔铁处于初始平衡位置时,两次级线,即差动变压器输出电 压为0。 返回 上页 下页 ? 当铁芯向右移动时,在右边二次线圈内穿过的磁通比左 边二次线圈多些,所以互感也大些,感应电动势E21增加; 另一个线逐渐减小;反之,铁芯向左移 动时,E21减小,E22增加。 设两个二次线,如果将 二次线圈反向串联,则传感器的输出电压U2=U21-U22。 返回 上页 下页 当铁芯移动时,U2就随着铁芯位移x成线形增加,其特性 如图所示,形成V形特性。如果以适当方法测量U2,就可 以得到与x成正比的线性读数。 返回 上页 下页 2. 等效电路分析 当次级开路时,初级线 次级线圈的感应电动势为 差动变压器的空载输出电压为 ? ? E21 ? ? j? M1 I1 ? ? ? E22 ? ? j? M 2 I1 其有效值为 U2 ? U1 U 2 ? E21 ? E22 ? j? ? M 2 ? M 1 ? R1 ? j? L1 ? ? M 2 ? M1 ? R12 ? ?? L1 ? 2 U1 返回 上页 下页 输出阻抗为 Z ? R21 ? R22 ? j? L21 ? j? L22 其复阻抗的模为 Z ? ? R21 ? R22 ? 2 ? ?? L21 ? ? L22 ? 2 由以上分析可得: ① 当活动衔铁处于中间位置时M1=M2,故此时输出电压 U2=0。 ② 当活动衔铁上移时,M1>M2,此时输出电压 U2<0。 U2 ? ? 2??M R ? (? L1 ) 2 1 2 U1 返回 上页 下页 ③ 当活动衔铁下移时,M1<M2,此时输出电压U2>0。 U2 ? 2??M R ? (? L1 ) 2 1 2 U2 输出电压还可以写成 ?M ?M U2 ? ? 2Es0 2 2 M M R1 ? (? L1 ) 2? MU1 返回 上页 下页 4.2.2 1. 差动整流电路 测量电路 返回 上页 下页 对于图 (b)全波电压 输出电路: 差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和,即 U2=U24 - U68 当铁芯在中间位置时,U24=U68 ,所以U2=0 ; 当铁芯在零位以上时,因为U24U68 ,则U2>0; 当铁芯在零位以下时,因为U24U68 ,则U2<0。 可见铁芯在零位以上或以下时,输出电压的极性相反,于 是零点残余电压会自动抵消。此外,该电路还具有结构简单、 分布电容影响小和便于远距离传输等优点,获得广泛的应用。 返回 上页 下页 2. 相敏检波电路 差动变压器和LZX1(相敏整流放大器)的连接电路如图 所示。u2为信号输入电压,us为参考输入电压,R为调零电 位器,C为消振电容,移相器使参考电压和差动变压器次级 输出电压同频率,相位相同或相反。 返回 上页 下页 4.2.3 差动变压器式传感器的应用 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、比重、张力和厚度等。 微压传感器 CPC型差压计 返回 上页 下页 将衔铁的A端与被测振动体相连, 此时传感器作为加速度测 量中的惯性元件,它的位移与被测加速度成正比,使加速度测量 转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时,导致差动 变压器的输出电压也按相同规律变化。 图4.21 差动变压器式加速度传感器原理图 返回 上页 下页 4.3 电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应定律,块状金属导体置于变化的磁场中或在 磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流, 称之为电涡流,这种现象称为电涡流效应。 可对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤(探伤)实 西现非接触测量,体积小、灵敏度高,应用广泛。 返回 上页 下页 4.3.1 工作原理 电涡流传感器原理 返回 上页 下页 根据等效电路,可列出电路方程组为 ? ? R1 I1 ? j? L1 I1 ? j? MI 2 ? U1 ? ? ? R2 I 2 ? j? L2 I 2 ? j? MI1 ? 0 解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为 U1 ? 2M 2 ? 2M 2 Z? ? R1 ? R2 2 ? j?[ L1 ? L2 2 ] 2 2 2 2 I1 R2 ? ? L2 R2 ? ? L2 电涡流传感器的等效阻抗可表示为 Z ? R ? j? L 等效电阻 等效电感 ? 2M 2 R ? R1 ? R2 2 R2 ? ? 2 L2 2 ↑ ↓ 上页 下页 ? 2M 2 L ? L1 ? L2 2 R2 ? ? 2 L2 2 返回 线圈的品质因数由无涡流时的 Q ? ?L1 下降为 R1 L2 1? L1 ? L ? L1 Q? ? ? R R R1 1? 2 R1 ? 2M 2 ? 2 R2 ? ? 2 L2 2 ? 2M 2 ? 2 R2 ? ? 2 L2 2 ↓ 由此可见,被测量数变化可以转换成传感器线圈的 等效阻抗Z、等效电感L及品质因素Q等的变化。通过 转换电路可把这些种参数转换为电压或电流输出。 返回 上页 下页 返回 上页 下页 4.3.3 电涡流传感器测量电路 主要有调频式、 调幅式等电路。 1. 调频式电路 TTL电平 计算机(计数) 位移显示器 Co 振 荡 器 f o ? ?f Lo ? ?L 高 频 放 大 器 限 幅 器 鉴 频 器 U o ? ?U 功 率 放 大 器 记录仪 f ? 1 2? L( x)C 返回 上页 下页 2. 调幅式电路 由传感器线圈 L 、电容器 C 和石英晶体组成。石英晶体振 荡器起恒流源的作用,给谐振回路提供一个频率(f0)稳定的 激励电流io,LC 高频 放大器 检波器 低频 放大器 Uo Uo Uo Z ? jwL 1 jwL ? jwC 1 ? w2 LC jwL U o ? io ? Z ? i0 ? 1 ? w2 LC 3. 正反馈电路 放大器的反馈电路是由ZL 组成,当线圈与被测体之间 的距离发生变化时,ZL变化, 反馈放大电路的放大倍数发 生变化,从而引起运算放大 器输出电压变化,经检波和 放大后使测量电路的输出电 压变化。因此,金沙,可以通过输 出电压的变化来检测传感器 和被测体之间距离的变化。 反馈法测量电路原理图 返回 上页 下页 4.3.4 电涡流电感式传感器的应用 1. 位移测量 返回 上页 下页 2. 振幅测量 返回 上页 下页 3. 转速测量 在一个旋转体上开一条 或数条槽,或者加工成齿轮 状,旁边安装一个电涡流传 感器。当旋转体转动时,传 感器将周期性地改变输出信 号,此电压信号经过放大整 形后,可用频率计指示出频 率值,可由式算出转速为 f n ? 60 N 返回 上页 下页 4. 无损探伤 电涡流式传感器可以对被测对象进行非破坏性的 探伤,在检查时,使传感器与被测体的距离不变,如 有裂纹出现时,导体电阻率、磁导率发生变化,从而 引起传感器的等效阻抗发生变化,通过测量电路达到 探伤的目的。 返回 上页 下页 电涡流探雷器 返回 上页 下页 5. 接近开关 返回 上页 下页 第4章 本章要点 ? (变磁阻、差动变压器、涡流式)电感传感器的 工作原理 ? 电感式传感器的转换电路(主要是调幅电路—— 差动式电桥)分析 ? 相敏整流电路分析 ? 零点残余电压的成因、危害及补偿方法 ? 涡流式传感器的工作原理 ? 电感式传感器(主要是涡流传感器)的主要应用 返回 上页 结束

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