chap6 变磁阻式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第6,章 变,磁阻式,传感器,电感式传感器,差动变压器式传感器,电涡流传感器,1,基础知识一：磁力线的分布规律,磁力线是一簇封闭的无头无尾的永不相交的曲线；,磁力线总是走磁阻最小的路径；,磁力线穿出或进入导磁体表面时垂直表面（但有线圈的地方不垂直）；,当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。,2,气隙磁通,3,基础知识二：磁阻与磁导,l,:,磁路长度,S:,磁路横截面,导体导磁率,F,（10,-3,H/m,量级）,空气导磁率,0,=410,-7,H/m,4,基础知识三：等效磁路,l,1,/,A,1,l,2,/,A,2,l,3,/,A,3,G,1,G,2,G,3,5,线圈电感,：,由磁路欧姆定律,，,磁通定义为,：,其中：,L:,线圈电感；,：,磁通；,W:,线圈匝数；,I:,线圈电流；,R,mi,:,第,i,段磁路磁阻,磁链,定义为,：,磁势,：,磁压降,磁阻,6,概述,变磁阻式传感器：,利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感,L,或互感,M）,变化来检测非电量的机电转换装置。,按照工作原理分类：,自感式：,L,变化,差动变压器式：,M,变化,电涡流式：,L、M,变化,按结构分类：,气隙式电感传感器（是一种闭磁路结构形式）,螺管式电感传感器（是一种开磁路结构形式）,7,l,2,S,2,S,1,6.1,电感式传感器,一、简单电感传感器,线圈,铁芯,衔铁,U,sr,8,9,简单电感传感器的工作原理,W,:,线圈的匝数,I,:,线圈中的电流,：,磁路磁通,R,M,:,磁路总磁阻,为何是2？,10,当线圈匝数为常数时,电感,L,仅仅是磁路中磁阻,R,m,的函数,只要改变,或,S,均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度,的传感器和变气隙面积的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。,11,1,、变间隙简单电感传感器的输出特性,向上移动：,向下移动：,L,0,L,0,-,+,+L,1,-L,2,12,变间隙简单电感传感器的输出特性,提示,当有两个铁芯，并采用差动结构时：,结论：灵敏度提高，非线性减小。,13,Conclusions:,减小,0,，,增大灵敏度。,L/Lf(）,为非线性，而且当,/，,非线性增大。,非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取,/=0.10.2，,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。,与,引起的,L,的,变化大小不同，且,越大，,L,相差越大。,为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变,隙式电感传感器。,特点,:,与变间隙电容相似。,14,2,、电感传感器的等效电路分析,R,e,R,h,R,c,C,L,铜损电阻（,R,c,）;,铁芯的涡流损耗电阻（,R,e,）;,磁滞损耗电阻（,Rh,）;,寄生电容（,C,）.,L,cp,：,每,匝线圈平均长度；,d：,导线的直径。,t：,铁芯厚度；,p：,涡流穿透深度,15,不考虑寄生电容、磁滞损耗的等效电路：,R,e,R,c,L,L,R,e,R,c,铁损的串联等效电阻,R,e,比,R,e,小；,L,比,L,小。,分析讨论：,16,减小对,L,的影响的措施,：,减小铁损的具体办法：,1,）铁芯采用迭片式结构,2,）采用电阻率大的铁氧材料,增大,R,e,增大,(,R,e,/,l,),减小,R,e,R,e,整流,-,低通滤波,-,去直流分量,-,复现原调制信号。,解调电路,：,技术路线：,75,差动整流检波测量电路,a,b,c,d,76差动整流检波测量电路,1）方波发生电路,77,78,2）电流放大电路,79,3）精密整流电路,80,81,加法电路,1.讨论两半波整流器的输入信号特点。,2.讨论两半波整流器的输出信号特点。,3.加法器的作用相敏。,见黑板！,82,一阶,低通滤波器,83,低频,高频,84,一阶低通滤波器的波特图,85,设差动电感传感器的线圈阻抗分别为,Z1,和,Z2,。,当衔铁处于中间位置时，,Z1,=,Z2,=,Z,，,电桥处于平衡状态，,C,点电位等于,D,点,电位，电表指示为零。,以差,动电感为例说明相敏整流电路的原理：,差动电感传感器,相敏整流交流电桥,86,当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，,Z1,=Z+Z,，,则下部线圈阻抗减少，,Z2,=,Z-Z,。,如果输入交流电压为正半周，则,A,点电位为正，,B,点电位为负，二极管,V1、V4,导通，,V2、V3,截止。在,A-E-C-B,支路中，,C,点电位由于,Z1,增大而比平衡时的,C,点电位降低；而在,A-F-D-B,支中中，,D,点电位由于,Z2,的降低而比平衡时,D,点的电位增高，所以,D,点电位高于,C,点电位，直流电压表正向偏转。,如果输入交流电压为负半周，,A,点电位为负，,B,点电位为正，二极管,V2、V3,导通，,V1、V4,截止，则在,A-F-C-B,支中中，,C,点电位由于,Z2,减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即,B,点电位为正，,A,点电位为负，,C,点相对于,B,点为负电位，,Z2,减少时，,C,点电位更负）；而在,A-E-D-B,支路中，,D,点电位由于,Z1,的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是,D,点电位高于,C,点电位，电压表正向偏转。,同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。,可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。,87,相敏,整流交流电桥仿真,88,L,1,增大，,L,2,增大。,89,L,2,增大，,L,1,增大。,90,4、应用,差动变压器传感器是将被测的非电量转换成线圈互感量变化，并且其次级绕组采用差动形式连接。,目前应用最多的是螺线管是差动变压器，它可以测量,1100,mm,范围以内的机械位移量,.,测振动、加速度,测,挠,度,91,袖珍型差动变压器位移变送器,MSC,710,是一个单通道,LVDT,传感器。由于严实、牢固的结构，它不仅能在实验室也能在工业中应用。安装、操作简单。,应用,为工业部门产品和实验室而设计的测量和检测设备。,-,公差质量控制；,-,高度尺寸检测；,-,试验台、试验站；,-,流动试验车。,92,振动和加速度的测量,衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小,。,93,左图所示差动变压器式力传感器：,外力作用下变形使差动变压器的铁芯微位移，变压器次极产生相应电信号。,载荷测量,94,张力测量,95,压力测量,96,6.3,电涡流传感器,一、工作原理,电涡流传感器采用的是感应电涡流原理。,当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。,电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。,电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。,97,电涡流的形成,线圈通入交变电流,I，,在线圈的周围产生交变的磁场,H,1,位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流,涡流也产生相应的磁场,H,2,，H,2,与,H,1,方向相反,H,2,的作用引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化,:,电阻率；,:,导磁率；,r：,线圈半径等几何尺寸；,I:,线圈电流；,f:,频率；,X:,距离。,98,二、电涡流等效电路分析,U,sr,R,1,L,1,R,2,L,2,I,1,I,2,M,99,线圈等效电感：,100,品质因素,或：,无,涡流影响时线圈的,Q,值,101,Conclusions：,电涡流效应使得,等效电阻增大、等效电感减小,，品质因素减小。,电涡流效应消耗能量,等效电阻,等效电感、等效阻抗、品质因素与,M,平方有关，是距离,x,的非线性函数。,电涡流效应与距离,x,的关系：,XH,2,电涡流效应,L Q,102,103,线圈对性能的影响,电涡流的径向形成范围,(,x,固定）,结论：涡流密度在线圈外径处最大；范围随外径变化；在,r1.8r,as,处，涡流衰减为最大值的5。,1,1,电涡流密度,J,与半径,r,的关系曲线,J,0,最大电涡流密度,104,电涡流沿金属表面法向的贯穿深度,z,深度,电流,密度,表面电流密度,贯穿深度与频率有关，频率低，深度深。,105,轴向磁感应强度与距离,x、,r,as,的关系,x,r,as,r,as,分布范围大,变化梯度小,线性范围大,灵敏度小,r,as,与上相反,B,P,：,轴向磁感应强度,r,as,大,r,as,小,x/,r,as,B,P,磁感应强度沿轴向分布,106,被测体对电涡流测量的影响,被测体是传感器的组成部分,;,被测导体的电导率越高，灵敏度越高;,磁性体的灵敏度比非磁性体低:,对等效电感,L：,电涡流效应使其减小,被测物为导磁体，导磁体的作用使得,L，,磁效应抵消电涡流效应。所以，被测物是磁性体，灵敏度较非磁性体低。,一般采用较高的激励频率；(数十千,Hz）,镀层对测量有影响；,对被测体的大小有要求。,107,三、电涡流传感器的结构,采用了最常用的结构形式,高频反射式结构,.,108,涡流探头外形结构及应用,109,四、测量电路,被测,参数变化,品质因数,Q,较少使用,等效阻抗,Z,交流电桥,等效电感,L,谐振电路,谐振电路,调幅电路,调频电路,110,1、,调幅式测量电路,原理：线圈电感,L,与固定电容,C,组成谐振回路，当激振频率与谐振频率相等时，,LC,回路的阻抗最大；由于涡流使得,L,变化时，谐振频率变化，等效阻抗变化。,振荡,器,f,0,放,大,检,波,滤,波,L,R,C,U,SC,等效,电阻,111,LC,谐振频率为：,等效阻抗：,R-,等效电阻，对灵敏度有影响；,0,-,激励频率。,由于激励频率很高，故：,112,等效阻抗：,113,114,f,Z,f,0,f,1,f,2,f,3,Z,0,Z,1,Z,2,Z,3,R,0,R,1,R,2,L,1,L,2,L,3,Q,0,Q,1,Q,2,Q,3,f,0,f,1,f,2,f,3,对,非磁性材料，谐振频率右移；,对,磁性材料，谐振频率左移。,涡流增大方向,115,Conclusions：,当,f,0,=,f,时，输出电压最大;,对非磁性体，涡流增大使得,L,1,减小、,R,1,增大、谐振频率,增高;,输出电压减小;,谐振频率、谐振曲线向高频方向移动;,输出电压,U,与涡流参数之间呈单调非线性关系.,最大输出：,116,117,f,U,f,0,f,1,f,2,频率始终等于谐振频率，幅值始终为谐振曲线峰值,2、调频测量电路,-,调频鉴幅式,118,放,大,限,幅,鉴,频,滤,波,X,U,鉴频器将振荡的频率信号转换为电压输出信号。,调频测量电路,-,直接频率输出,119,谐振式鉴频式,将传感器线圈与电容组成,LC,并联谐振回路,谐振频率为：,传感器,(,电感）的变化使调频振荡器的振荡频率发生相应变化，在小范围内，振荡频率与被测量的变化呈线性关系。且谐振时回路的等效阻抗最大。,当电感,L,发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随,L,的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。,120,五.,应用,电涡流传感器具有结构简单、抗干扰能力强、非接触测量等特点,转速测量,计数,测厚度,探伤,测振动,测温,测位移,121,122,相对轴位移,指的是轴向推力轴承和导向盘之间在轴向的距离变化。,轴向推力轴承用来承受机器中的轴向力，它要求在导向盘和轴承之间有一定的间隙以便能够形成承载油膜。一般汽轮机在,0.20.3,mm,之间，压缩机组在,0.40.6,mm,之间。如果小于这些间隙，轴承就会受到损坏，严重的导致整个机器损坏；因此需要监测轴的相对位移以测量轴向推力轴承的磨损情况。,相对轴位移的测量,123,124,发射线圈,1,和接收线圈,2,分别放在被测材料,G,的上下,低频,(,音频范围,),电压,e1,加到线圈,1,的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料,G,中产生涡流，此涡流损耗了部分能量，使贯穿2,的磁力线减少，从而使,2,产生的感应电势,e2,减小。,e2,的大小与,G,的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，,e2,随材料厚度,h,增加按负指数规律减小。,125,126,127,本章要点,电感式传感器的工作原理、结构组成、性能特点,差动变压器式传感器的工作原理、结构组成、性能特点,电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其应用,典型相敏测量电路,作业：61、65,128,自感式,(,变磁阻式,),传感器,互感式传感器,变隙式,螺线管式,电涡流式,129,交流电桥,1.,灵敏度是单线圈式的两倍,2.,线性度得到明显改善,变压器式交流电桥,输出指示无法判断位移方向,差动整流电路,结构简单不需考虑相位调整，,消除了零点残余电压,相敏检波电路,输出不仅反映了位移的大小而且反映了位移的方向,调频式电路,调幅式电路,130,作业,习题,58，9,试证明图,617,所示差动变压器输出为,V,形特征。设（,1,）电感线圈铜损、铁损及漏磁均忽略并在理想空载条件下求证。（,2,）原边线圈匝数,N11N12=N1，,副边线圈匝数,N21=N22=N2。,131,已知一差动整流电桥电路如图所示。电路由差动电感传感器,Z1、Z2,及平衡电阻,R1、R2(R1R2),组成。桥路的一个对角接有交流电源,Ui,，,另一个对角线为输出端,U,0。,试分析该电路的工作原理。,132,133,134,135,趋肤,效应的应用,136,用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理,当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻,R，,使零点残余电压减小；,当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。,137,图中,磁通路线错误！,138,139,相敏整流交流电桥(2)演示,140,