机、电类 传感器与检测技术项目教程 模块九、小位移检测 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,模块九、小位移检测 内容简介,简要介绍“位移检测的基本概念”、“电感式小位移传感器” 、“涡流式小位移传感器” 、“接近开关”等知识，对轴承滚柱直径的检测及分选也作了介绍。,現在時間是：07:02,模块九、小位移检测（上） 目录,知识链接 位移检测的基本概念 项目一、电感式小位移传感器 项目二、涡流式小位移传感器 项目三、接近开关 拓展阅读 轴承滚柱直径的检测及分选,現在時間是：07:02,知识链接 小位移检测的基本概念,位移是表示物体位置变化的物理量。 可分为：直线位移检测和角位移检测。 直线位移是指质点由初位置到末位置的有向线段。大小与路径无关，方向由起点指向终点（属于矢量）。直线位移的单位为米（m），此外还有毫米（mm）、千米（km）等。 角位移是描述物体转动时位置变化的物理量。 通常是指：任意一线段（或平面）由原始位置到新位置转过的角度。 单位为弧度（rad），此外还有度（）、分（）、秒（）等。1rad=360/(2)。,位移的分类,位移传感器按输出信号的类型可分为模拟式位移传感器和数字式位移传感器两类。 小位移检测的范围大都小于200mm。可用：电感式、涡流式、霍尔式、激光式、光纤式以及纳米式等传感器来检测。 大多数小位移传感器属于模拟式位移传感器。 工件尺寸的变化可以转换为机械位移的变化。例如，工件的长度、厚度、高度、距离、物位、角度、表面粗糙度等。 大位移检测范围可达100m，具体方法见模块十。 大多数大位移传感器属于数字式位移传感器。,表9-1 常用小位移传感器的分类及特点,项目一 电感式小位移传感器,【项目教学目标】 知识目标 1）了解电感式小位移传感器的基本工作原理。 2）掌握差动整流电路。 技能目标 熟悉电感式位移传感器的安装与应用。,任务一 认识自感式传感器与差动变压器,利用电感式传感器能对位移以及与位移有关的工件尺寸等参数进行测量。 电感式传感器具有分辨力高（0.1m）等优点。主要缺点是机械惯性大，响应慢，不适用于快速动态测量。 电感式传感器的分辨力与测量范围有关，测量范围越大，分辨力（能够分辨的数值）就越差。 电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。 人们习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传感器； 而互感式传感器是利用变压器原理，通常做成差动式，故称为差动变压器式传感器，以下简称差动变压器。,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,图9-1 铁心气隙与电感量及电流的关系实验,一、自感式位移传感器 电感传感器的基本工作原理演示,电感线圈的气隙减小，电感变大， 流过线圈的电流变小。,F,自感式电感传感器常见的形式,图9-2 电感式位移传感器的结构 a）变气隙式 b）变面积式 c）螺线管式 1线圈 2铁心 3衔铁 4测杆 5导轨 6工件 7转轴,1.变气隙电感式传感器,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感L及感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，气隙变小，磁阻变小， 电感L变大，电流 I 减小。,减小铁心与衔铁之间的有效投影面积，在较小的范围内，电感成比例减小。,变气隙电感式传感器的特性近似双曲线,变面积式电感传感器的理论特性为线性,1绕组 2 铁心 3 衔铁,2.变面积电感式传感器,也称“变截面式”电感传感器。 必须保持气隙固定不变，电感L是衔铁与固定铁心之间的有效投影截面积A的函数。,衔铁上下移动，导致衔铁与铁心的有效投影面积变大，电感也变大。,A,有效投影面积,电感传感器的输出特性,图9-3 电感式位移传感器的特性曲线 a）L-特性曲线 b）L-A特性曲线 1实际输出特性 2理想输出特性,3.螺线管式电感传感器,螺线管是具有多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯。 当有电流通过导线时，螺线管中间部位会产生比较均匀的磁场。 作为传感器，螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动的圆柱形衔铁。衔铁插入绕组后，将引起螺线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度而增大。,空心 螺线管,x,螺线管式电感传感器的线性区,对于长螺线管（l r），当衔铁工作在螺线管接近中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时绕组的电感量L与衔铁插入深度大致成正比。螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/10。测杆应选用非导磁材料，电导率也应尽量小，以减小铁磁损耗和涡流损耗。 例：采用螺线管电感传感器测量直径为100mm的工件是否合格，被测工件的最大允许误差为 1.5mm， 求：应选长度大于多少毫米的螺线管？ 解 D=21.5mm=3mm，则螺线管长度为： l 3mm10倍=30mm（不包括外壳）。,电感传感器的灵敏度,1绕组 3可动衔铁 4测杆 6被测工件,采取以下措施可以提高电感灵敏度： 在绕组不致过热的情况下，可适当提高励磁电压，但以不超过10V为宜；激励源电源频率以(110)kHz为好。如果频率太低，感抗较小，激励电流较大；频率太高，衔铁的磁滞损耗加大，分布电容也将引起绕组的Q值下降；选用导磁性能好、铁损小、涡流损耗小的导磁材料作为衔铁的材料，例如铁氧体、非晶铁磁材料等。,当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加,一个减小,形成差动形式。,4.差动电感传感器,a)变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器 1上差动绕组 2铁心 3衔铁 4下差动绕组 5测杆 6工件 7基座,图9-4 差动电感式位移传感器,由于两个绕组的结构完全对称， 电磁吸力以及温漂大部分相互抵消。,差动电感传感器动作演示,差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。,差动式电感传感器的特点,线性度改善， 灵敏度是非差动的2倍。,差动电感传感器的特性,图9-5 差动线圈与单线圈变气隙电感式 位移传感器的特性比较 1上绕组特性 2下绕组特性 3L1、L2差接后的特性,从输出/输入特性曲线图可以看出，与非差动电感传感器相比较，差动式电感传感器的特性曲线的斜率变大，灵敏度提高；输出曲线变直，线性度改善。,5.电感传感器的测量转换电路,图9-6 差动电感式传感器的交流电桥电路,5.电感传感器的测量转换电路,图9-6 （续） 1衔铁的位移曲线 2激励源波形 3交流电桥的输出波形 4普通检波后的直流平均值 5相敏检波后的直流平均值 t0衔铁上下位移到达差动 螺线管绕组中间位置的时刻 e0零点残余电压的瞬时值 E0零点残余电压的平均值,采用相敏检波电路的必要性,检波：将交变信号转换为直流平均值。 检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或电流，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路配以普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出电压的相位和位移的方向。 如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的相位（位移的方向）。这种检波电路称为相敏检波电路。,普通的整流电路及波形,只能得到单一方向的直流电，不能反映被整流信号的相位。,全波整流后,正负半周均变为正电压,检波用于信号转换； 整流用于功率转换。,一种典型的相敏检波电路（有集成模块）,参考电压UR起相敏开关电路作用，并能克服检波二极管死区电压对小信号检波的影响。,相敏检波电路的输出波形比较,第1根信号波形为传感器输出电压us的波形，由被测物的低频振动所调制；第2根为参考电压UR的波形，（大于被测信号10倍以上）； 第3根为相敏检波后的低频振动波形（解调信号) 。,相敏检波输出特性与非相敏检波比较,图9-7 不同检波方式的输出特性曲线 a）普通检波 b）相敏检波 1理想特性曲线 2实际特性曲线 E0零点残余电压 x0位移的不灵敏区,具有中央零位的 指示仪表,实测得到的 相敏检波电路的特性曲线,通过调零电路，可使输出曲线平移到原点的上下。,衔铁位移时的实验数据及曲线 麻点是微小的干扰（也称为噪声） “之”字形曲线是正向与反向的“迟滞特性”,二、差动变压器式位移传感器,复习电工知识： 全波整流电路中用到的“单相变压器”有一个一次绕组，有两个二次绕组。 当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在两个二次线圈中产生感应电动势E2a、E2b。在全波整流电路中，两个二次绕组正向串联。,普通的全波整流变压器接线,两个二次侧绕组同向串联（第一个绕组的尾端与第二个绕组的首端相连），串联后的输出电压等于两个绕组电压之和。,普通整流用的变压器的两个二次绕组N21、N22的有关端点按全波整流电路的连接（头尾连接）,Uo,10V,10V,=20V,接地,1.差动变压器式传感器的工作原理,差动变压器是把被测位移量转换为一次线圈与二次绕组间的互感量M的变化的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。,目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。,图9-8 差动变压器的结构示意图原理图 1一次绕组 2二次绕组 3衔铁 4测杆 5被测工件,差动变压器式传感器的工作原理（续）,图9-9 理想差动变压器原理图,差动变压器式传感器的结构,在差动变压器的线框上绕有一个输入绕组（称一次绕组）；在同一线框的上端和下端再绕制两个完全对称的绕组（称二次线圈），它们反向串联（输出电压相互抵消），组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗的说法是指绕组的“头”。,差动变压器式传感器的等效电路及接线,结构特点： 两个二次绕组反向串联，组成差动输出形式。,请将二次绕组N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。,差动接法的输出电压为uo= u21-u22,差动变压器的输出波形,.,差动变压器的输出特性,1理想输出特性 2非相敏检波实际输出特性 3相敏检波实际输出特性 x0位移的不灵敏区,图9-10 差动变压器的三种状态 (放大图见后页),差动变压器式传感器的工作原理分析,1）当衔铁处于中间位置时，M1=M2=M0，所以uo=0。 2）当衔铁偏离中间位置向左移动时，N1与N21之间的互感量M1减小，所以u21减小；与此同时，N1与N22之间的互感量M2增大，u22增大，uo不再为零，输出电压与激励源反相。 3）当衔铁偏离中间位置向右移动时，输出电压与激励源同相。与差动电感相似的原理，必须用相敏检波电路才能判断衔铁位移的方向。,2主要性能,差动变压器的灵敏度一般可达10mV/(mmV)，行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压不超过10V为宜。电源频率以110kHz为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。,例：欲测量120mm2mm轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜 ？ （注：x=4mm） 解 如果差动变压器的衔铁已经正确调零，处于传感器线圈的中央位置，则输出电压与轴的长度（120mm）无关。仅与2mm轴的直径误差有关。 传感器的衔铁的位移量大约为x=4mm，可以选择线圈长度为最大位移量的10倍的400mm的传感器。,3.差动变压器的差动整流测量电路,差动变压器的二次电压u21、u22分别经VD1VD4、VD5VD8组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压Ua0和Ub0。由于Uao与Ubo是反向串联的，所以UC3=Uab=Ua0-Ub0。该电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出,不涉及相位。 RP是调零电位器。,图9-12 差动整流电路（续）,工件直径D增大，衔铁上移时的输出波形