第三章--互感式传感器

电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用
动画
图 滚子直径分选机的工作原理示意图 1－气缸 2－活塞 3－推杆 4－被测滚柱 5－落料管 6－电感测 微器 7－钨钢测头 8－限位挡板 9－电磁翻板 10－滚柱的公差分 布 11－容器（料斗） 12－气源处理三联件
测微仪
圆柱滚子
• 二、设计方案及步骤 • （一）机械结构的设计 • 1．测微器的选择 • 由于被测滚柱的公差变化范围只有6μm，传感器所
U2=U24- U68
衔铁上移 Eab Ecd U 24 U 68 U 2 0 U 24 U 68 U 2 0
铁 U24 芯 在 U68 零 位 U2 铁U 芯 24 在U 零 68 位 以U2 下 t t t t t t
衔铁下移 Eab Ecd
铁U24 芯 在U 零 68 位 以 U2 上 t t t
1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4电感线圈 5 弹簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测杆 9 密封件 10玛瑙测端 11被测工件 12基准面 轴向电感测微器内部结构
轴向电感测微器外形
中原量仪厂
航空插头
红宝石测头
航空插头就是连接 器，即电缆接插件，插 头一般指不固定的那一 半。因最初用在航空领 域而得名。
UL UL
0 0 （a） x （b）
x
相敏检波前后的输出特性曲线
3.2.4
•
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、玛瑙）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。
3．采用补偿线路 在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、 电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。 补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电 压的大小和相位改变，使零点电压最小。
补偿零点残余电压的电路
3.2.3测量电路
• • • • • 能辨别移动方向 消除零点残余电压 （1）差动整流电路 （2）相敏检波电路
e1 + e2 + T1 i4
D1 R
D3 R RL
R D2
0 U 1
R D4
+ u1 + u2 T2
U 2
i3
u2 e2 u1e2 Ｕ２正半周Ｕ１负半周 i4 i3 R RL R RL
故i４＜ i３。流经RL的电流为
i０= i４－ i３ ＜０
0 U 1
T1
+ e1 + e2 _
原理:电磁感应
M(互感) U x(位移、流量、振动） L （自感） （I） 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，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以 又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称 为差动变压器。
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、 磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路： 当次级开路时，初级绕组的交流电流为：
R21 e M1 ～ 21 L21 L1 L22
I 1
e1 R1 jL1
R1 I1 e1
e2
次级绕组的感应电动势为：
～
R22
e21 jM 1I 1 e22 jM 2 I1
0 U 1
T1
e1 + e2 +
D1 R D3
R D2
R
R
RL i1
D4
u1 + u2 + T2
U 2
i2
负半周时
u 2 e1 i1 R RL
u1 e1 i2 R RL
故i１＞ i２，流经RL的电流为
i０= i１－ i２ ＞０
③当衔铁在零位以下时，Ｕ１与Ｕ２同频反相
（2）半波电压输出
a b
c d
衔铁上移
正半周二极管均导通 Eab Ecd 负半周二极管截止。U 2 0
U2 0 U2 0
衔铁下移 正半周二极管均导通 Eab Ecd 负半周二极管截止。 U2 0
2． 二级管相敏检波电路
参考电压Ｕ２和差动变压器的输出电压Ｕ１同频，经过 移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１
u0 (u / 2) (Δ Z / Z )
• 差动变压器式压力变送器
5—差动线圈 4—印制线路板 6—衔铁 7—电源变压器 8—罩壳
3—电缆 2—波纹膜盒 1—压力输入接头
9—指示灯 10—密封隔板 11—安装底座
a)外形
b)结构示意图 c)电路原理图
半波差动整流电路、低通滤波电路
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，可接入二次仪表加以显示。 由于上述一次仪表输出的信号(电压，也可以是电流) 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。
3.2 互感式传感器---差动变压器
3.2.1 互感式传感器的结构与工作原理
差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管 式等。目前多采用螺管型差动变压器。
2 1 3
4
螺管型差动变压器 1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁
2
1
3
4
工作原理类似于变压器。初、 次级绕组的耦合能随衔铁的移动 而变化，即绕组间的互感随被测 位移的改变而变化。
• 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。 • 二线制仪表接线方法： • 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所示。
仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压 太大，就要进行调整。
零点残余电压波形
U Ui UZ
(a)残余电压的波形
UZ 1
t 2
3
4
5 t
(b)波形分析
1 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
零点残余电压产生原因P68：
①基波分量 两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对 称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调 整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。
需要的行程较短，所以可以选择线圈骨架较短、直径较 小的型号。 2．滚柱的推动与定位 气缸的活塞在高压气体的推动下，将滚柱快速推 至电感测微器的测标下方的限位挡板位置。使用“钨 钢测头”延长测端的使用寿命。
②当衔铁在零位以上时，Ｕ１与Ｕ２同频同相。
+ e1 + e2 T1 i4
D1 R
D3 R RL
R D2
0 U 1
R D4
+ u1 + u2 T2
U 2
i3
正半周时
u2 e2 u1e2 i3 i4 R RL R RL
i０= i４－ i３ ＞０
故i４＞ i３，流经RL的电流为
由于次级绕组反向串接，故差动变 压器输出电压为
U i
M2
～ e22
差动变压器的等效电路
e1 e2 e21 e22 j M1 M 2 R1 jL1
e1初级线圈激励电压 L1,R1初级线圈电感和电阻 M1,M1分别为初级与次级线圈 1,2间的互感 L21,L22两个次级线圈的电感 R21,R22两个次级线圈的电阻
其他电感测微头
二、电感式不圆度计 图为测量轴类工件 不圆度的示意图.电感测 头2围绕工件1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 b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。
测量头
e1
差动变压器 的输出电压
D1 R
D3 R
R D2 u1 u2 T2
U 1
T1
e2
U 2
参考电压
R
D4
RL
① 当衔铁在中间位置时，Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。
D1 R
R
D2
u1
u2 T2
+
0 U 1
D3
R T1
i4
u1 u2 i3 R RL R RL
U 2
R
D4 RL
i3
定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余
电压。（x＝0， U0＝UZ≠0)
Ｕ０
ＵＺ
0
x
Ｕ０
ＵＺ
0
x
零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志 之一 。因为如果零点残余电压过大，会使灵敏度下降， 非线性误差增大。所以，在制造传感器时，要规定其 零点残余电压不得超过某一定值。 例如某自感测微仪的传感器，经200倍放大后，在放大 器末级测量，零点残余电压不得超过80mv 。
• 1 差动整流电路
整流原理:把差动变压器的两个次级输
出电压分别整流, 然后将整流的电压 或电流的差值作为输出。
电阻R0用于调整零点残余电压。
整流器件:二极管及由 它们组成的电桥。
（1）全波电压输出
U2=U24- U68 衔铁上移 Eab Ecd
衔铁下移 Eab Ecd
U 24 U 68 U 2 0 U 24 U 68 U 2 0
பைடு நூலகம்
②高次谐波 由于导磁材料(铁心)磁化曲线(B-H特性)的非线性 、 磁滞损耗和两线圈磁路的不对称，造成两线圈中某些高 次谐波成分不一样，不能互相抵消 激励电流波形失真，其内含高次谐波分量
消除零点残余电压方法：P68
1．从设计和工艺上保证结构对称性
力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁 芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。 2．选用合适的测量线路 相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔 铁在中间位置时的零点残余电压消除掉。
D1 R
D3 R RL i1
R D2
R D4
u1 + u2 + T2
U 2
i2
同理:在Ｕ２负半周Ｕ１正半周时： u1 e1 u 2 e1 i2 i1 R RL R RL
i１＜ i２ i０= i１－ i２ ＜０．
结论：
１．衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负 半周，在负载RL上的输出电压始终为0 ． ２．衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还 是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。
3.2.2 误差因素分析
1、激励电压幅值与频率的影响
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。因此，采用 差动电桥可以减少温度的影响。
e1 e2 e21 e22 j M1 M 2 R1 jL1
3、零点残余电压
旋转盘
线圈
三、压力测量
U～ 铁芯 A
衔铁

膜盒 P
图3-9 变隙电感式压力传感器结构图
线圈 1 C形 弹 簧 管
Q：压力传感器的三 个组成部分？ 敏感元件：
输出
C形弹簧管 P
位移
转换元件：
调机 械 零点 螺钉 线圈 2 P 衔铁 ～
差动变隙自感传感器 电路参数 转换电路： 变压器电桥 电量
图3-10变隙差动式电感压力传感器
4~20mA二线制数显表外形及计算
在上图中，若取样电阻RL =250.0，则对应于 4~20mA的输出电流，输出电压Uo为1~5V。
工程项目设计实例
• —电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用 • 一 课题要求及主要技术指标 • 某轴承公司希望对本车间生产的汽车用滚柱的直径 进行自动测量和分选. • 滚柱的标称直径为10.000mm，允许公差范围为 ±3μm。 • 在公差范围内，滚柱的直径从9.997mm至 10.003mm，分为A～G共7个等级，分别落入7个料箱 中。 • 滚柱的分选速度为60个/min
３．衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还 是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。
U1 0 U2
0
t t t t t t t
二级管相敏
检波在U1、
i1 0 i2 0
U2同相位时 的波形
i3
0 i4 0 i0 0
经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移 输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后， 特性曲线由图（a）变成（b），残存电压自动消失。
正半周时:
i4
如果存在零点电 u1= u２ i３= i４ i０= i４- i３ =０ 位,则可以通过调 节F,点,使IO为0
D1 R
R
D2
u1
-
0 U 1
D3 R D4 RL
i1 i2
R
u2
+ +
U 2
T2
T1
负半周时
u2 u1 i1 i2 R RL R RL
i １= i ２ i ０= i １ － i ２ = ０