传感器检测技术及应用课件－位移、速度、流量传感器及应用

传感器检测技术及应用课件－位移、速度、流量传感器及应用内容摘要：

传感器检测技术及应用课件－位移、速度、流量传感器及应用 1项目 2 位移、速度、流量传感器及应用2电测法常用的传感器位移： 1、线位移 2、角位移测量位移常用方法：机械法、光测法、电测法。 电测法： 利用各种传感器将位移量变换成电量或电参数，再经后接测量仪器进 步变换，完成对位移检测的一种方法。 位移测试系统的组成：1、传感器、 2、变换电器、 3、显示装置或记录仪器。 测量位移常用的传感器：电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步器式、磁栅式、光电式等多种类型。 3位移传感器的分类4位移传感器位移传感器可分为线位移和角位移测量传感器。 线位移： 指机构沿着某一条直线移动的距离。 线位移的测量又称 长度测量。 这类测量常用的传感器有电阻式、电感式、差动变压器式以及感应同步器、磁尺、光栅、激光位移计等。 角位移： 指机构沿着某一定点转动的角度。 角位移的测量又称 角度测量 ，这类测量常用的传感器有旋转变压器、码盘、编码器、圆形感应同步器等。 参量型位移传感器参量位移传感器的工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。 此类传感器式属于结构型，将机械结构位移、变形等非电量转换成电量，是基于测量物体受力变形而产生应变的一种传感器。 电阻式位移传感器电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性，即式中 导体电阻率 ( ·m)L 导体长度 (m)S 导体横截面积 (上式可知，改变其中任意参数都可使电阻值发生变化。 电位计（电位器）和应变片就是根据这 原理制成的。 7电位计（电位器）的结构原理8电位计（器）的一般结构和等效电路常见用于传感器的电位器有绕线式电位器、合成膜电位器、金属膜电位器、导电塑料电位器、导电玻璃釉电位器以及光电电位器式传感器。 9线性电位计其单位长度 (或转角 )的电阻值是常数。 以直线电位计为例。 电位计电阻元件长度为 l，总电阻 R，电刷位移 x，相应的电阻为 源电压 U，输出电压 有式中 电位计的电阻灵敏度 ( m)。 电位计输出空载电压为：式中 电位计的电压灵敏度。 当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计 此线性电位计输出电压与电刷位移 (或转角 )呈线性关系。 线性电位计的空载特性x i 010非线性电位计空载特性非线性电位计其输出电压 >1，所以当气隙减少 11100 01 1202K=0N 2 11自感传感器特性分析51 rr 1 1111111自感的相对变化 211111111 同理，当总气隙长度增加 ，自感减小为 2 21111111 自感传感器特性分析（2）52自感传感器特性分析（ 3）若忽略高次项，则自感变化灵敏度为 rL 11 11线性度： 当气隙 生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化 增大而增加；气隙减少 引起的自感变化 引起的自感变化 差值随 增加而增大。 54差动 变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。 当衔铁 3移动时 ， 一个线圈的自感增加 ，另一个线圈的自感减少 ， 形成差动形式。 如将这两个差动线圈分别接入测量电桥邻臂 ， 则当磁路总气隙改变 ， 自感相对变化为 221111112rr RR(2(2rL 1122)(11差动变气隙式自感传感器55 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍。 差动式自感传感器非线性失真小。 如当 10时(略去 l r), 单线圈 10；而差动式的 1。 75502505075100L/1 2 3 4- 线圈 自感特性； 2 线圈 自感特性；3 线圈 与 差动自感特性； 4 特性曲线差动式自感传感器的输出特性差动式自感传感器的优点56有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。 传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。 当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。 x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的 1/2长度时的灵敏度小得多。 这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。 ）l）螺管型自感传感器的磁场分布曲线58若被测量与 际上由于磁场强度分布不均匀，输入量与输出量之间关系非线性的。 为了提高灵敏度与线性度 ,常采用差动螺管式自感传感器。 图 (b)中 H=f(x)曲线表明：为了得到较好的线性 ,铁芯长度取 则铁芯工作在 此时 种差动螺管式自感传感器的测量范围为 (5 50)线性误差在 右。 2线圈 ）感 传感器(a)结构示意图 (b)磁场分布曲线x(l)(a)(b)感器59螺管式自感传感器的特点 结构简单，制造装配容易；由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。 60假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻 （ 铁芯的涡流损耗电阻 （ 线圈的寄生电容 （ C）。 因此，自感传感器的等效电路如图。 励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。 而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。 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。 当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。 适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。 62当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。 但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值 (从零点几 在，称为 零点残余电压。 如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。 零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。 0点残余电压631、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e 2 3 45(a)残余电压的波形(b)波形分析基波分量。 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的 等效电路参数 （互感 M、自感 ）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。 又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。 高次谐波。 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的 非线性 引起。 由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦 (主要是三次谐波 )磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。 另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。 651从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。 其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。 并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。 由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。 2选用合适的测量线路采用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，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。 如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由 1变到 2，从而消除了零点残余电压。 e2+气隙型和差动变压器两种。 目前多采用螺管型差动变压器。 其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。 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，相当于变压器的副边。 螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。 (a)气隙型 (b)螺管型4. 互感式 位移 传感器 差动变压器6732 1 2121 12(a) (b)(c) (d)1 2 1 12差动变压器线圈各种排列形式1 初级线圈； 2 次级线圈； 3 衔铁3差动变压器线圈各种排列形式68在理想情况下 (忽略线圈寄生电容及衔铁损耗 )，差动变压器的等效电路如图。 初级线圈的复数电流值为 激励电压的角频率；激励电压的复数值；由于 次级线圈中产生磁通111 1初级线圈激励电压1： 初级线圈电感和电阻1： 初级与次级线圈 1,2间的互感22： 两个次级线圈的电感22： 两个次级线圈的电阻21122差动变压器的等效电路691222112111212121 21212222 mR。