傳感器-自感傳感器.ppt

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Sensor DetectingTechnology 主要內(nèi)容3 1自感式傳感器3 2差動(dòng)變壓器3 3電容傳感器3 4電渦流式傳感器 第三章變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用 第三章變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用 變阻抗式傳感器是利用被測(cè)量改變磁路的磁阻 導(dǎo)致線圈電感量的變化 或利用被測(cè)量改變傳感器的電容量 或者利用被測(cè)量改變線圈的等效阻抗等 實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量的檢測(cè) 種類 電感式傳感器電容傳感器電渦流式傳感器 第3章變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用 電感式傳感器的分類 1 按原理分 1 自感應(yīng)原理的自感式電感傳感器 2 互感應(yīng)原理的互感式電感傳感器 差動(dòng)變壓器 2 按結(jié)構(gòu)分 1 變氣隙式電感傳感器 2 變面積式電感傳感器 3 螺管式電感傳感器 3 1自感式傳感器 3 1 1工作原理3 1 2變氣隙式自感傳感器3 1 3變面積式自感傳感器3 1 4螺線管式自感傳感器3 1 5自感式傳感器測(cè)量電路3 1 6自感式傳感器應(yīng)用舉例 3 1 1工作原理 自感式傳感器是把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化 通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出 分為變氣隙式 變面積式和螺線管式自感傳感器 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠 測(cè)量力小傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng) 有利于信號(hào)的傳輸和放大 重復(fù)性能好 線性度寬且較穩(wěn)定 不宜于高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量 3 1自感式傳感器 實(shí)驗(yàn) 將一只220V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后 接到變壓器的36V交流電壓源上 開始毫安表的示值約為幾十毫安 用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心 稱為銜鐵 往下按 我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小 當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí) 毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安 3 1 1工作原理 3 1自感式傳感器 氣隙變小 電感變大 電流變小 F 3 1 1工作原理 3 1自感式傳感器 3 1 1工作原理 自感式傳感器由線圈 鐵芯和銜鐵三部分組成 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成 3 1自感式傳感器 磁通 線圈繞在由鐵磁材料制成的鐵心上 線圈通以電流 便產(chǎn)生磁通 勵(lì)磁線圈勵(lì)磁電流磁路 電流產(chǎn)生的磁通集中在磁導(dǎo)率高的鐵磁材料空間內(nèi) 集中的磁通所經(jīng)過的路徑稱為磁路 磁阻 表示磁介質(zhì)對(duì)磁通的阻礙作用的大小 3 1 1工作原理 在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連 當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí) 氣隙厚度 發(fā)生改變 引起磁路中磁阻變化 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化 因此只要能測(cè)出這種電感量的變化 就能確定銜鐵位移量的大小和方向 3 1自感式傳感器 3 1 1工作原理 銜鐵移動(dòng) 氣隙改變 磁阻變化 電感值變化 3 1自感式傳感器 由磁路歐姆定律可知 線圈自感量計(jì)算 3 1 1工作原理 氣隙很小 一般0 1 1mm 可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的 若忽略磁路磁損 則磁路總磁阻為 各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度 各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率 氣隙厚度 真空導(dǎo)磁率 3 1自感式傳感器 3 1 1工作原理 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 即 0 4 10 7H m 空氣隙總長(zhǎng) 3 1自感式傳感器 3 1 1工作原理 上式表明 當(dāng)線圈匝數(shù)N為常數(shù)時(shí) 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù) 改變 或A0均可導(dǎo)致電感變化 變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器 線圈電感量 3 1自感式傳感器 3 1 1工作原理 3 1自感式傳感器 3 1 2變氣隙式自感傳感器 忽略磁路磁損時(shí) 線圈自感量可寫為 L與 之間是非線性關(guān)系 特性曲線如圖所示 3 1自感式傳感器 3 1 2變氣隙式自感傳感器 當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí) 初始電感量為 當(dāng)銜鐵上移 時(shí) 則此時(shí)輸出電感為 同理 當(dāng)銜鐵隨被測(cè)物體的初始位置向下移動(dòng)時(shí) 有 3 1自感式傳感器 3 1 2變氣隙式自感傳感器 忽略高次項(xiàng)后 可得 近似線性 靈敏度為 線性度 非線性誤差 氣隙式電感傳感器的靈敏度與線性度存在矛盾 3 1自感式傳感器 變隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合 3 1 2變氣隙式自感傳感器 差動(dòng)變隙式電感傳感器 為了減小非線性誤差 實(shí)際測(cè)量中采用差動(dòng)變隙式電感傳感器 差動(dòng)變隙式電感傳感器是由兩個(gè)完全相同的電感線圈合用一個(gè)銜鐵和相應(yīng)的磁路組成 測(cè)量時(shí) 銜鐵與被測(cè)件相連 當(dāng)被測(cè)件上下移動(dòng)時(shí) 帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng) 使兩個(gè)磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等 方向相反的變化 3 1自感式傳感器 3 1 2變氣隙式自感傳感器 銜鐵上移 兩個(gè)線圈的電感變化量 L1 L2 差動(dòng)傳感器電感的總變化量 L L1 L2 具體表達(dá)式為 對(duì)上式進(jìn)行線性處理 即忽略高次項(xiàng)得 3 1自感式傳感器 3 1 2變氣隙式自感傳感器 靈敏度K0為 比較單線圈式和差動(dòng)式 差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍 差動(dòng)式的非線性項(xiàng) 忽略高次項(xiàng) 單線圈的非線性項(xiàng) 忽略高次項(xiàng) 由于 0 1 因此 差動(dòng)式的線性度得到明顯改善 3 1自感式傳感器 3 1 3變面積式自感傳感器 傳感器氣隙厚度保持不變 令磁通截面積隨被測(cè)非電量而變 設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同 則此變面積自感傳感器自感L為 3 1自感式傳感器 3 1 3變面積式自感傳感器 靈敏度 變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下 輸入與輸出呈線性關(guān)系 因此可望得到較大的線性范圍 3 1自感式傳感器 3 1 4螺線管式自感傳感器 單線圈螺線管式自感傳感器是由多層繞制的細(xì)長(zhǎng)線圈 鐵磁性殼體和可沿線圈軸向移動(dòng)的活動(dòng)銜鐵組成 線圈中放入圓柱形銜鐵 當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí) 自感量將相應(yīng)變化 構(gòu)成螺線管型自感傳感器 螺線管式自感傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式 3 1自感式傳感器 3 1 4螺線管式自感傳感器 1 螺線管線圈 2 螺線管線圈 3 骨架 4 活動(dòng)鐵芯 差動(dòng)螺線管式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 L10 L20 分別為線圈 的初始電感值 鐵芯初始狀態(tài)處于對(duì)稱位置 3 1自感式傳感器 3 1 4螺線管式自感傳感器 當(dāng)鐵芯移動(dòng) 如右移 后 使右邊電感值增加 左邊電感值減小 根據(jù)以上兩式 可以求得每只線圈的靈敏度為 兩只線圈的靈敏度大小相等 符號(hào)相反 具有差動(dòng)特征 化簡(jiǎn)得 3 1自感式傳感器 3 1 5自感傳感器測(cè)量電路 自感式傳感器 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?為了測(cè)出電感量的變化 要用轉(zhuǎn)換電路把電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓 或電流 的變化 1 變壓器電橋2 諧振式調(diào)幅電路3 調(diào)頻電路 3 1自感式傳感器 3 1 5自感傳感器測(cè)量電路 變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊 Z1 Z2 差動(dòng)電感傳感器 當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí) 流入工作臂的電流為 1 變壓器電橋 3 1自感式傳感器 3 1 5自感傳感器測(cè)量電路 初始Z1 Z2 Z RS j L故平衡時(shí) USC 0 雙臂工作時(shí) 銜鐵偏離中間零點(diǎn) 設(shè)Z1 Z Z Z2 Z Z 相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng) 則 同理反方向移動(dòng)時(shí) 3 1自感式傳感器 2 諧振式調(diào)幅電路 電路的靈敏度很高 但是線性差 適用于線性要求不高的場(chǎng)合 圖諧振式調(diào)幅電路 諧振點(diǎn)的自感值 3 1 5自感傳感器測(cè)量電路 3 1自感式傳感器 傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化 圖調(diào)頻電路 3 調(diào)頻電路 3 1 5自感傳感器測(cè)量電路 3 1自感式傳感器 3 1 6自感傳感器應(yīng)用 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí) 膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移 于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng) 從而使氣隙發(fā)生變化 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化 電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小 3 1自感式傳感器 當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí) C形彈簧管產(chǎn)生變形 其自由端發(fā)生位移 帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng) 使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等 符號(hào)相反的變化 即一個(gè)電感量增大 另一個(gè)電感量減小 電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出 由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓 即可得知被測(cè)壓力的大小 3 1自感式傳感器 3 1自感式傳感器小結(jié) 3 1 1工作原理 掌握 3 1 2變氣隙式自感傳感器 掌握 3 1 3變面積式自感傳感器3 1 5自感式傳感器測(cè)量電路 了解 3 1自感式傳感器