自动检测与转换技术电感传感器(1)教案 - 图文

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14机电1、2 班 专业 机电 2015年9月6日

科别：自动检测与转换技术 课题：电阻传感器课次：5、6 课时：4 授课人：彭莉 教学方法：讲授法、讨论法、动画演示法 教具：多媒体课件 教学目的： 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； 4、了解气动元件的控制。 教学重点： 二线制仪表的原理、应用 教学难点： 电流输出型仪表的计算 教学过程： 一、考勤清点人数 二、教学环节 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 由电工知识可知，忽略线圈的直流电阻时，流过线圈的交流电流为

I?UUU??ZXL2?fL 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。我们可以利用本例中自感量随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感式传感器。 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：根据公式（3-1），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、变截面式电感传感器 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Uo=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） 2．相敏检波电路 “检波”与“整流”的含义：都指能将交流输入转换成直流输出的电路。但检波多用于描述信号电压的转换。 普通的全波整流：只能得到单一方向的直流电，不能反映输入信号的相位。

相敏检波电路：如果输出电压在送到指示仪前经过一个能判别相位的检波电路，则不但可??以反映位移的大小（Uo的幅值），还可以反映位移的方向（Uo的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路，不同检波方式的输出特性曲线如图3-6所示。相敏检波电路的输出电压U为直流，其极性由输入电压的相位决定。当衔铁向下位移时，检流计的仪表指针正向偏转。当衔铁向上位移时，仪表指针反向偏转。采用相敏检波电路，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。 图3-6 不同检波方式的输出特性曲线 a）非相敏检波 b）相敏检波 1－理想特性曲线 2－实际特性曲线 第二节差动变压器传感器 差动变压器传感器（Differential Transformer Transducer，简称差动变压器）。 全波变压器测量：将两个二次线圈差动接法，发现总电压非但没有增加，反而相互抵消。 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/（mm?V）。行程越小，灵敏度越高。 提问并解释： 适当提高励磁电压，能提高灵敏度。以______为为宜。 A．220V（发热） B．1V（励磁电流太小） C．10V D．10mV 电源频率以______为为宜。 A．4kHz B．50Hz（工频） C．直流电 D．100Hz（磁滞损耗）。 （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U21、U22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的作用： RP用来微调电路平衡的。 低通滤波电路： Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，其时间常数τ必须大于Ｕi周期的十倍以上。 差动减法放大器： A及R 21、R22、Rf、R23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。 图3-11b是当衔铁上移时的各点输出波形。当差动变压器采用差动整流测量电路时，应恰当设置一次线圈和二次线圈的匝数比，使U21、U22在衔铁最大位移时，仍然能大于二极管死区电压（0.5V）的10倍以上，才能克服二极管的正向非线性的影响，减小测量误差。 LVDT： 随着微电子技术的发展，目前已能将图3-11a中的激励源、相敏或差动整流及信号放大电路、温度补偿电路等做成厚膜电路，装入差动变压器的外壳（靠近电缆引出部位）内，它的输出信号可设计成符合国家标准的1～5V或4～20mA（请参阅第四节有关论述），这种型式的差动变压器称为LVDT（Linear Variable Differential Transformer，线性差动变压器）

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第三节电感传感器的应用 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3-13b所示图形。该图形按一定的比例放大工件的不圆度，以便用户分析测量结果。 三、压力测量 差动变压器式压力变送器结构、外形及电路图如图3-14所示。它适用于测量各种生产流程中液体、水蒸气及气体压力。在该图中能将压力转换为位移的弹性敏感元件称为膜盒。

图3-14差动变压器式压力变送器的外形、结构及电路图 差动变压器的二次线圈的输出电压通过半波差动整流电路、低通滤波电路后，作为变送器的输出信号，可接入二次仪表加以显示。线路中RP1是调零电位器，RP2是调量程电位器。差动整流电路的输出也可以进一步作电压/电流变换，输出与压力成正比的电流信号，称为电流输出型变送器，它在各种变送器中占有很大的比例。 四、一次仪表： 图3-14所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，并安装在检测现场，在工业中经常被称为一次仪表。 一次仪表的输出： 输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。 旧标准：0~10mA或0～2V。 新的标准规定电流输出为4～20mA；电压输出为1～5V。 4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。 不让信号占有0～4mA这一范围的原因以及“本底”电流： 一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA（称为“本底”电流），因此还能利用0～4mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。 两线制仪表： 所谓两线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根为+24V电源线，另一根既作为电源负极引线，又作为信号传输线。 如何将电流信号转变成电压信号： 在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。两线制仪表的接线方法如图3-15所示。

两线制仪表的其他优点：可以在仪表内部，通过隔直、通交电容，在电流信号传输线上叠加数字脉冲信号，作为一次仪表的串行控制信号和数字输出信号，以便远程读取，成为网络化仪表。 图3-15两线制仪表的接线方法 取样电阻的计算： 在图3-15中，若取样电阻RL=250.0?，则对应于4～20mA的输出电压Uo为1～5V。 什么是变送器： 由于上述一次仪表输出的信号既易于处理，又符合国家标准，所以这类标准化的传感器或仪表又称为变送器。变送器的输出信号可直接与电动过程控制仪表，例如与DDZ-Ⅲ调节器连接。 例某两线制电流输出型温度变送器的产品说明书注明其量程范围为0～1000℃，对应输出电流为4～20mA。求：当测得输出电流I=12mA时的被测温度t。 解因为该仪表说明书未说明线性度，所以可以认为输出电流与温度之间为线性关系，即I与t的数学关系为一次方程，所以有 I=a0+a1p （3-2） 式中——a0、a1为待求常数。 当t=0℃时，I=4mA，所以a0=4mA 当p=1000℃时，I=20mA，代入式（3-2）得a1=0.016mA/℃ 所以该压力变送器的输入/输出方程为I=4mA+0.016(mA/℃)t 将I=12mA代入式（3-2）得 p=(Ｉ-4mA)/a1=(12-4)/0.016（Pa）=500℃。 输出电流为10mA时的温度并不是满量程的一半。 两线制电流输出型温度变送器的输入/输出特性曲线及负载特性： 据3-16a，可用作图法来得到t与I的对应关系。3-16b为电源/负载电阻特性。 最大的负载电阻的计算： 考虑到线路压降和仪表内部工作电压的余量，当电源电压为45V的最大值时，最大输出电流为20mA，则负载电阻 若仪表的电源电压低于规定数值时（例如16V）时，仪表的输出误差将增大。所以有：RL＝（45V－16V）/20mA＝1430Ω。

图3-16 两线制电流输出型温度变送器的输入/输出特性曲线及负载特性 a）压力/电流特性 b）电源/负载电阻特性

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