【文章內(nèi)容簡介】 ?????????? ??3) 運算放大器電路 ?? SCuCCuuxy0000 ????特點 ： 電容變化轉(zhuǎn)變成電壓變化，可以消除非線性誤差 電容式傳感器特點 ? 它結(jié)構(gòu)簡單，體積小 ? 靈敏度和分辨率高 ， 可測量 ?m級位移變化量 (測微儀 ) ? 動態(tài)特性好 ， 因其可動部分質(zhì)量小，固有頻率高 ? 可非接觸式測量 ， 可 動態(tài) 、 靜態(tài)測量 ? 穩(wěn)定性好， 電容器極板多為金屬材料，極板間多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下 和強烈振動等惡劣條件下 長期 工作 ，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題 ? 非線性誤差較大， 受外界電容影響大 ，量程小，應(yīng)用受限制 電容傳感器應(yīng)用 ? 應(yīng)用于壓力、液位、振動、位移、加速度、成分含量等 ? 非接觸測量 ? 1 震動 ， 偏心 ， 同心度 ? 2 位移 ， 位置 ， 膨脹 ? 3 撓度 ， 波動 ， 傾斜 ? 4 尺寸 ， 公差 ， 分選 ， 另件識別 ? 5 沖擊 ， 應(yīng)變 ， 軸向振動 ? 6 軸承振動 ， 油膜間隙 ， 磨擦 礦山 工程中應(yīng)用 — 孔隙水壓力計 ?位移計、孔隙水壓力計、水位計 ?孔隙水壓力計 礦山 工程中應(yīng)用 — 液位計 它是一根絕緣層覆蓋金屬棒插入盛液容器內(nèi)，金屬棒作為電容的一個極，容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù) ε 1和液面上的介電常數(shù) ε 2不同，所以，可通過兩電極間的電容量的變化來測量液位的高低。電容液位計體積小，容易實現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)，適用于具有腐蝕性和高壓的介質(zhì)的液位測量 x — 電容器浸入液體中的深度； R — 同心圓電極的外半徑； r — 同心圓電極的內(nèi)半徑； ε 1 — 被測液體的介電常數(shù)； ε 2 — 空氣的介電常數(shù) 。 ? ? ? ? xrRHrRC /ln)(2/ln2 211 ????? ???液位計 2 包裹聚四氟乙烯套管 ?棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管 絕緣層 ， 當(dāng)其浸入導(dǎo)電液體時，電極以絕緣層為介質(zhì)與周圍導(dǎo)電液體形成圓筒形電容器，電容為 ? ?dD xC /ln 2????連續(xù)測量水池、水井、江河水位和各種導(dǎo)電液體的液位 x 電感式傳感器 ? 定義： 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，把被測量 (如壓力、位移和加速度等 )變化通過彈性元件轉(zhuǎn)換成自感或互感的變化裝置 ?分類 : 電感式傳感器 自感型 可變磁阻型 渦流式 互感型 傳感器構(gòu)造和工作原理 ? 原理 ： 把線圈接在交流電源上，當(dāng)磁芯和銜鐵的間隙變化時，會使間隙磁阻發(fā)生變化，從而線圈的電感發(fā)生變化。通過對電感量的測量，就能知道測桿的位移量 ? 構(gòu)造： 線圈和磁芯銜鐵和測桿等 線圈的電感與被測量之間的關(guān)系 — 磁通所經(jīng)過的磁路的總磁阻 — 磁芯與空氣的導(dǎo)磁率 — 磁芯與空氣間隙路磁長度 — 磁芯與空氣間隙橫斷面。 mRnL /2?sslRiiim02??? ?? ?mR0, ??i?,ilSSi ,?電感式傳感器的線圈、磁芯和銜鐵構(gòu)成一個自感線圈，一個匝數(shù)為 n的線圈，其自感 L為 0?? ??i? ??202 snL ?自感式傳感器類型 ??202 snL ??線圈的電感與空氣隙厚度 δ 成反比，與磁通氣隙面積 S成正比 ?目前常用的自感式傳感器可分為： ?變隙式電感傳感器，它是通過改變氣隙厚度制成的 ?變面積式電感傳感器，它是通過改變氣隙截面積制成的 ?螺管式電感傳感器，它是通過改變螺管磁芯位置制成的 幾種變磁阻電感傳感器結(jié)構(gòu)圖 a)變面積型 b)差動變氣隙型 c)螺管型 d)螺管差動型 變氣隙式電感傳感器 ?變隙式電感傳感器 — 通過改變空氣間隙厚度制成的 1)輸入 — 輸出關(guān)系 ? 當(dāng)傳感器中測桿產(chǎn)生位移 x 時，磁路的氣隙由 δ0 變?yōu)?δ0 x，由此引起電感變化為 00000020 /1/)11(2 ?????xxLxsnLLL????????0022?? snL ?????????????????????? ?200001 ??? xxxL L? 設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?δ 0，則初始電感為 ? 展開上式可得 ? 輸入輸出關(guān)系是非線性關(guān)系 2 靈敏度和非線性誤差 ? 傳感器的靈敏度與空氣間隙的原始厚度 δ0有關(guān)， δ0越薄，靈敏度越高，但量程縮小 ， 為保證線性關(guān)系 x/δ0~ 00 1????xLLKL? 在輸入輸出關(guān)系中忽略高次項 (xδ 0)，使得電感變化量與氣隙變化成線性關(guān)系 ? 相應(yīng)的 靈敏度 KL等于 00 ?xLL ??? 非線性誤差 %100%1000???? ????? ?? xL LLL3)差動電感式傳感器 ?電感式傳感器都是做成差動式的 ，當(dāng)銜鐵位置變動時，一個線圈 w1電感量增大 ΔL1，另一個線圈 w2電感量減小 ΔL2，總電感量變化 2121210LLLLLLL???????????????202 snLZ ??? 把兩個線圈接到電橋相鄰臂上，利用電橋的加減特性，能使傳感器的靈敏度增加一倍，并能減小由于環(huán)境溫度以及非線性等引起的誤差 4) 測量線路 ? 電感式傳感器的測量線路有兩類 ? 一類是把傳感器按入變壓器交流電橋，將電感變化轉(zhuǎn)換電流或電壓信號，經(jīng)過放大后送給記錄或指示儀表 ? 另一類是將傳感器作為調(diào)頻電路的一個電感元件，與測振電路相聯(lián)，輸出調(diào)頻信號，送給鑒頻器，經(jīng)解調(diào)后再送給記錄或指示儀表。 ? 模擬式及數(shù)字式電感測微儀 a)變壓器電橋測量線路圖 ? 變壓器電橋電路，其等效電路圖 ????202 snLZ ??變壓器電橋電路輸出 ? 電橋的兩臂 Z1和 Z2為差動電感式傳感器中兩個線圈的阻抗，電橋的另外兩臂為電源變壓器次級繞組的兩半，其等效電源為 E／ 2，這樣就組成所謂的差動線路。電橋?qū)蔷€ A、 B兩點的電位差即為輸出電壓 2212121211 EZZZZEEZZZUUUBA ????????變壓器電橋電路輸入輸出關(guān)系 ? 如果銜鐵位于中間位置，電感線圈的參數(shù)相等，即 Z1=Z2=Z0，則 U=0(Z0銜鐵處于中間位置時每個繞組的阻抗 ) ? 當(dāng)銜鐵向上移動一定距離，上面線圈的阻抗增加 ΔZ，得 Z1＝Z0+ΔZ；下面的線圈減小 ΔZ，得 Z2＝ Z0ΔZ，則 EZ ZEZZZZ ZZZZU021210 212)( ?????????????? 當(dāng)銜鐵下降同樣大小距離時，輸出相同電壓值，但符號相反，相差 1800。因為電源是交流的，要加相敏檢波器才能識別輸出電壓的正負(fù)號 b)調(diào)頻測量電路 ?傳感器的磁芯線圈作為調(diào)頻振蕩的諧振回路的一個電路元件，與振蕩器相聯(lián) ? 振蕩器的頻率為 ? ?00000000000022211/112121???xLLfLLfLLfCLLffCLf????????????????????????????調(diào)頻測量電路特點 ? 調(diào)頻測量電路將電感轉(zhuǎn)換為頻率的變化 ? 信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，抗干擾能力強 4)變磁阻傳感器特點和應(yīng)用 ? 特點： ? 結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，壽命長，零點穩(wěn)定靈敏度高，分辨率可達(dá) ?m，重復(fù)性好 ? 動態(tài)性能差，不適用高頻測量 ? 應(yīng)用 ? 在工程中測量中常用的這類傳感器，有變磁阻式壓力盒和加速度計 a)電感傳感器應(yīng)用 — 壓力盒 ? 在地壓作用下壓力盒的承壓板將壓力經(jīng)油腔傳遞給波紋膜片 (銜鐵 )，使之發(fā)生變形。使磁路的氣隙由 δ0變?yōu)?δ0 x，從而引起電感變化。根據(jù)電感變化和壓力標(biāo)定關(guān)系可測出壓力 b)位移計 軸向式電感 測微器的外形 航空插頭 紅寶石測頭 差動變壓器式傳感器 ? differential transformer sensor ? 定義： 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器 ? 根據(jù)變壓器原理制成的，而且次級線圈繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器 ? 結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式、螺線管式 ? 螺線管式用得最多 差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 結(jié)構(gòu)： 原繞組 W沿骨架的中間槽繞制，副繞組 W1， W2為兩組在外側(cè)槽反對稱繞制的線圈，即接成差動形式 ? 工作原理 ： 原線圈接上交流電源，當(dāng)移動磁芯時，各繞組之間的耦合將發(fā)生變化，互感系數(shù)發(fā)生變化 ? 當(dāng)磁芯處于二個副繞組的對稱中心時，則輸出電壓等于零，稱此點為平衡點。當(dāng)鐵芯偏離平衡點時，則副繞組中產(chǎn)生電壓差，且隨磁芯移動距離而變化 W W1 W2 Es x x 等效電路圖和輸出關(guān)系圖 輸入輸出關(guān)系 ? 當(dāng)一次繞組通電時，負(fù)載兩端開路時，則由電工學(xué)可知，負(fù)載兩端輸出的電壓有效值為 0202021)()]()([ ELRxMxMe?????? R0 、 ω、 L0—— 初級線圈電阻、電源頻率、電感 ? M1(x)、 M2(x)— 初級線圈與次級線圈間互感；它的大小與磁芯位置有關(guān) ? E0、 e— 初級線圈勵磁和次級線圈輸出電壓 ? R0、 L0、 ω、 E0均為常數(shù) ? 當(dāng)鐵芯在中間位置時，由于兩線圈互感相等，沒有電壓輸出，e=0 輸入輸出關(guān)系討論 ?當(dāng)鐵芯偏離中間位置時，使互感系數(shù)一個增加，另一個減少，此時負(fù)載有電壓輸出，而且隨著鐵芯偏離中間位置增加，輸出 電壓也增加。其輸出電壓與位移之間關(guān)系如圖 ?由圖可見變壓器輸出線性度較好 ?根據(jù)標(biāo)定關(guān)系測量磁芯位移 測量電路 ? 差動變壓器式傳感器輸出電壓且功率較大，可直接用毫伏表或示波器測量。原線圈的電源可用頻信號發(fā)生器，其頻率應(yīng)高于被測信號頻率的 10倍以上，這種方法不能指示極性 ? 采用全波整流電壓輸出電路或全波相敏檢波電壓輸出電路 ? 變壓器式傳感器測量線路框圖 ? 由于其輸出信號包含有載波，還需要低通濾波器把高頻載波和噪聲部分濾掉 相敏檢波測量電路圖