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1、 电感式传感器 测液位高度 在 监测锅炉水位方面的应用 1设计名称： 2 2摘要 3 3应用背景与目的： 3 4设计原理： 3 5设计任务及技术指标： 4 6悬臂梁结构设计： 4 7应变电桥的选择及设计计算 5 8电桥电路的选择设计与分析 8 ◆一.设计名称： 电感式传感器测液位高度 ◆二.摘要 当液位高度变化时，引起浮子的变化，浮子与衔铁相连，进而带动衔铁运动，衔铁
2、的运动，使差动变压器的次级线圈互感电流变化，输出电流（电压）发生变化。通过电表将变化信息显示出来，实现物理量等非电量向电量的转化。 ◆三.应用背景与目的： 锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。因此，水位高度的监测尤为重要。将电感式传感器，应用到锅炉系统当中，对锅炉水位进行实时监测，能时刻掌握锅炉水位变化情况，防止意外发生。 ◆四.设计原理： 1.差动变压器：一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。用于测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测量。差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上 设置一个
3、原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势e1和e2。如果两个副绕组按反向串联(图1),则它的总输出电压u2=u21－u22≈e1－e2。当铁心处在中央位置时，由于对称关系，e1=e2，输出电压u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组 2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是感应电动势e2>e1，差动变压器输出电压u2不等于零,而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系,其特性如图2所示，呈V字形。用适当的测量电路测量,可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整
4、流后，以它们的差作为输出。差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合. 差动变压器的结构原理与等效电路 分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 1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁 三节式的零点电位较小，二节式比
5、三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。 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 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 在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为 2.测量电路：差动变压器输出电压为交流信号，它与衔铁移动的位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移大小，不能判别衔铁移动的方向，因此采用差动整流电路来实现方向这一问题。电路图如下： 全波整流电路和波形图
6、 该电路是根据半导体二极管单向导通原理进行解调的，假设传感器上面的二次线圈的输出瞬时波形为上半周，a点为正，b点为负，则在上线圈中，电流自a点出发，路径是a-1-4-2-3-b。反之，如a点为负，b点为正，则电流路径为b-3-4-2-1-a。可见，无论二次线圈输出电压瞬时极性如何，通过电阻R的电流总是4-2。 3.整体思路：当液位高度变化时，引起浮子的变化，浮子与衔铁相连，进而带动衔铁运动，衔铁的运动，使差动变压器的次级线圈互感电流变化，输出电流（电压）发生变化。通过电表将变化信息显示出来，实现物理量等非电量向电量的转化。
7、 ◆五.零件尺寸： ⑴量程：0-3.15m； ⑵浮子：材料为钢（密度为ρ=7.8×103kg/m3）外径D=50mm，空心直径d=48mm；质量为32.7g ⑶滑轮：D滑轮=50mm； ⑷传动轴：长度为24mm，螺距为1mm，直径为10mm； ⑸电桥电压：5V。 ◆六.结构设计： 1.变压器：220v/6.4v=n1/n2,线圈匝数之比约为34. 原理图如下： 2.测量电路： 基本原理图如下，水位的变化引起浮子系统变化，进而带动衔铁的运动，使二次线圈的互感发生变化，导致电流表示数变化。实现了非电量向电量的转化，达到
8、测液位高度的目的。 3.浮子传动结构设计及计算 （1）.浮子尺寸计算：查阅资料得知，浮子结构为空心球，外径D=50mm，材料为钢（密度为ρ=7.8×103kg/m3）。浮在水面时有一半的体积在空气中。∴G=F浮，m=ρv ∴7.8×103kg/m3×4/3×3.14×[(0.05/2)3-r3] ×10N/kg=1×103kg/m3×10N/kg×4/3×3.14×(0.05/2)3/2 解得：r=24mm，即空心直径d=48mm 浮子质量：m=ρv= F浮/g=1×103kg/m3×4/3×3.14×(0.05/2)3/2=32.7g 浮子重力：G=mg=0.327N
9、 （2）.量程计算：滑轮直径50mm，滑轮所在传动轴直径为10mm，螺距为1mm，衔铁可移动范围是20mm，所以要求滑轮可转过20圈，滑轮周长C=πD=3.14×50=175.5mm,量程为20×C=3150mm=3.15m (3).滑轮传动具体结构如下图: 利用涡轮原理，滑轮随着浮子的上下移动而在传动轴上转动，因此，就会产生一个轴向位移，推动衔铁运动，达到测量目的。 4.整体结构图：1.浮球，2.细线，3.滑轮，4.传动轴，5.铜管，6.衔铁，7.测量电路，此外还有提供力矩的游丝（图中未画出） 当水位上涨时，浮子不能将位移传递给滑轮，所以要附加一个自动收绳装置（类似
10、于卷尺）。
查阅资料：游丝扭矩为2.2N，所以在细线上加2N配重。
1.当水位上涨时，因为浮球浸在水中体积增大，所以 F浮>G细线会弯曲，但是因为2.2N>2.0N,故细线又会收紧，带动滑轮运动。将轴向位移传递给衔铁。
2.当水位下降时, F浮
11、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。 3、零点残余电压 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mV到数十mV)存在，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
12、大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。 图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。 零点残余电压产生原因： ①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L及损耗电阻R）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。 ②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
13、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。 消除零点残余电压方法： 1．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
14、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。 相敏检波后的输出特性 3．采用补偿线路 ①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。 调相位式残余电压补偿电路 ②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02μF)可防止调整电位器时使零点移动。 电位器调零点残余电压补偿电路
15、 ③接入R0(几百kΩ)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。电路如图。 R或L补偿电路 成本预算表格 材料 单价 销售公司 用量 总计 变压器 4.02元/Kg 天津鲁岳销售有限公司 1Kg 4元 线圈 230元/Kg 无锡鼎井金属材料有限公司 10g 2.3元 电阻 18元/片 威海诺金传感技术有限公司 1片 18元 电流表 7元/Kg 上海赫特化工有限公司 2Kg 14元 二极管 35元/Kg 广
16、州帅源化工有限公司 500g 17.5元 滑轮 0.2元/个 深圳红利丰科技有限公司 5个 1元 传动轴 / 50元 104.8元 游丝 衔铁 铜管 细线 浮球 其他 各成员具体职责： v 项目经理：总体的项目策划，确保项目目标实现,协调各组员的工作，参与方案设计，进行设计书的编写与后期答辩。 v 市场调研：进行产品的市场调查与研究,客观地识别,收集相关资料。 v 方案设计：进行主要的产品方案设计的工作,及时去产品生产现场，发现问题，纠正问题。 v 软 硬 件：了解产品所需的软件与硬件相关信息，进行后期的相关产品生产，保证产品质量，并配合质检员进行产品检验。 v 物 资：及时准确的向生产负责单位提供购买物资的价格、时间、地点及市场信息变动情况，并负责采购计划及仓储部门的管理。 v 质量保证：及时发现和预防质量问题，并将质量问题和处理结果与各相关负责人进行交流，提高产品生产的效率。 第 17 页 共 17 页
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