電感式傳感器測(cè)量液位高度

1、電感式傳感器測(cè)液位高度在監(jiān)測(cè)鍋爐水位方面的應(yīng)用1設(shè)計(jì)名稱： 22摘要 23應(yīng)用背景與目的： 24設(shè)計(jì)原理： 35設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)： 66懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 77應(yīng)變電橋的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算 .錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。8電橋電路的選擇設(shè)計(jì)與分析 .錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。一 .設(shè)計(jì)名稱：電感式傳感器測(cè)液位高度二.摘要當(dāng)液位高度變化時(shí)，引起浮子的變化，浮子與銜鐵相連，進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵運(yùn) 動(dòng)，銜鐵的運(yùn)動(dòng)，使差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈互感電流變化，輸出電流（電壓） 發(fā)生變化。通過(guò)電表將變化信息顯示出來(lái)， 實(shí)現(xiàn)物理量等非電量向電量的轉(zhuǎn)化。三.應(yīng)用背景與目的:鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能，把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備。因 此

2、，水位高度的監(jiān)測(cè)尤為重要。 將電感式傳感器，應(yīng)用到鍋爐系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)鍋 爐水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能時(shí)刻掌握鍋爐水位變化情況，防止意外發(fā)生。四.設(shè)計(jì)原理:1. 差動(dòng)變壓器：一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測(cè)中的變壓裝置。用于 測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測(cè)量，也可用于動(dòng)態(tài)測(cè) 量。差動(dòng)變壓器的基本組成部分包括一個(gè)線框和一個(gè)鐵心。在線框上設(shè)置一個(gè)原繞組和兩個(gè)對(duì)稱的副繞組，鐵心放在線框中央的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時(shí)，兩個(gè)副繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)el和e2。如果兩個(gè)副繞組按反向串聯(lián)（圖1）,則它的總輸出電壓u2=u21 - u22el-e2。當(dāng) 鐵心處在中央位置時(shí)，由于對(duì)稱關(guān)系

3、，e1=e2,輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動(dòng)，則穿過(guò)副繞組 2的磁通將比穿過(guò)副繞組 1的磁通多，于是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e2e1，差動(dòng)變壓器輸出電壓 u2不等于零，而且輸出電壓的大小與鐵心位移x之間基本成線性關(guān)系，其特性如圖2所示，呈V字形。用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量， 可以得到差動(dòng)變壓器輸出與位移x成比例的線性讀數(shù)。最常用的測(cè)量電路是差動(dòng)整流電路，它把兩個(gè)次級(jí)電壓分別整流后，以它們的差作為輸出。差動(dòng)整流 電路有電流輸出型和電壓輸出型，前者用于連接低阻抗負(fù)載的場(chǎng)合；電壓輸出 型差動(dòng)整流電路則用于連接高阻抗負(fù)載的場(chǎng)合.差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。其基

4、本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用， 相當(dāng)于變壓器的原邊， 而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、（a）氣隙型（b）螺管型1初級(jí)線圈；2.3次級(jí)線圈；4銜鐵三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。 差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級(jí)線圈；2次級(jí)線圈；3銜鐵在理想情況下（忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗），差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為2. 測(cè)量電路：差動(dòng)變壓器輸出電壓為交流信號(hào)，它與銜鐵移動(dòng)的位移成正 比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能

5、反映銜鐵位移大小，不能判別銜鐵移動(dòng)的 方向，因此采用差動(dòng)整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)方向這一問(wèn)題。電路圖如下：Adjt - Q *辰射狛 k肚MJ常祠ft 貫自百羈田* Gtf英曰 P 卜全波整流電路和波形圖LF;it匕/、clrrlxlrl-tsA *2 n XZ卑酣崔aM+oUR .:-.口 口 卄廠廠 M LLJ k B 已 Ld.-J 團(tuán)衛(wèi) fy : 33”垂趣韭* Ji C*ijrLwir*卄i| SHiH *BAi *Mfi J1g：i XAJtl tSB-iD.i 標(biāo)淳 *AL d刪hpi&i；J蘭直-憚4該電路是根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的，假設(shè)傳感器上面的二次線圈的輸出瞬時(shí)波形為

6、上半周，a點(diǎn)為正，b點(diǎn)為負(fù)，則在上線圈中，電流自 a點(diǎn)出發(fā)，路徑是a-1-4-2-3-b 。反之，如a點(diǎn)為負(fù)，b點(diǎn)為正，則電流路徑為 b-3-4-2-1-a 。可見(jiàn)，無(wú)論二次線圈輸出電壓瞬時(shí)極性如何，通過(guò)電阻R的電流總是4-2。3. 整體思路：當(dāng)液位高度變化時(shí)，弓起浮子的變化，浮子與銜鐵相連，進(jìn) 而帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，銜鐵的運(yùn)動(dòng)，使差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈互感電流變化，輸出 電流（電壓）發(fā)生變化。通過(guò)電表將變化信息顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)物理量等非電量 向電量的轉(zhuǎn)化。五.零件尺寸:量程：0-3.15m ;浮子：材料為鋼（密度為P =7.8 x 103kg/m3）外徑D=50mm空心直徑d=48mrp 質(zhì)量為32.

7、7g滑輪：D滑輪=50mm傳動(dòng)軸：長(zhǎng)度為 24mm螺距為1mm直徑為10mm電橋電壓：5V。六.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):1.變壓器：220v/6.4v=n1/n2,線圈匝數(shù)之比約為34.原理圖如下：口 ti 口 1齡衛(wèi)陽(yáng)夕八丨常M代啤1押易SI1上欽3.J ISH6I gf 駅 u4w!檢iM凹耳| NB |1 1II .IMw呻丈31 ”角ni 航 I*TJ. WE-HI 位t% tiu -Bn JII Hfc H hwmaz/JonraDrJaorflf * G w J A穩(wěn)壓電口 口Kr片 hri陸A亠R 世11 k m XttSIXSlJAltPrl ZZ XX -l和O I丄護(hù)電“丹疥A2.測(cè)量電

8、路：基本原理圖如下，水位的變化引起浮子系統(tǒng)變化，進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵的運(yùn)動(dòng)，使二次線圈的互感發(fā)生變化，導(dǎo)致電流表示數(shù)變化。實(shí)現(xiàn)了非電量向電量的轉(zhuǎn)化，達(dá)到測(cè)液位高度的目的。.Z| *丄甘d,“f -1茸比%承1鼻腳蠱屯空1國(guó) 士d | 胡S|倉(cāng)Mt皿妙經(jīng)*塑乂 H 11* 牲皿亍挖4-垢gr* | 吟Ljvt毛 | Hiri-ajrw導(dǎo) | 隱 理豈| 鬲 AulaAZ毎時(shí)-忙!淖血”13&2皿心時(shí)孕qSaigj 4些 直峙旳 謝 遊歸 祐 描戒曲 lwj左口 切雖s-mi 口:赫 *Mmnz/a 0 n廣3導(dǎo)卍co樂(lè)樂(lè)口少3冉nurtvx膽卞5)1TO1I 州ffl Az J* 孑甘血也88+D印Qi

9、-Y 口CJ卄廠廠逍* rg:0霍上T色 卜m a h m u “空更 W剔wUul士|丄円 ？劃苗3.浮子傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算(1).浮子尺寸計(jì)算：查閱資料得知，浮子結(jié)構(gòu)為空心球，外徑D=50mm材料為鋼(密度為p =7.8 x 103kg/m3)。浮在水面時(shí)有一半的體積在空氣中。 二G=F浮,m=p v 7.8 x 103kg/m3 x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3-r 3 x 10N/kg=1 x 103kg/m3x 10N/kg x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3/2解得：r=24mm即空心直徑d=48mm浮子質(zhì)量：m=p v= F 浮/g=1 x 10

10、3kg/m3 x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3/2=32.7g浮子重力：G=mg=0.327N(2).量程計(jì)算：滑輪直徑50mm滑輪所在傳動(dòng)軸直徑為 10mm螺距為1mm 銜鐵可移動(dòng)范圍是20mm所以要求滑輪可轉(zhuǎn)過(guò) 20圈，滑輪周長(zhǎng)C=n D=3.14x 50=175.5mm,量程為 20 x C=3150mm=3.15m(3).滑輪傳動(dòng)具體結(jié)構(gòu)如下圖:利用渦輪原理，滑輪隨著浮子的上下移動(dòng)而在傳動(dòng)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，就會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)軸向位移，推動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，達(dá)到測(cè)量目的。z y-JcFEW ;硝遛-匚“.a三A【、聲牡 * 聞 hl-Mlr ii 材一心 i*-ii ea.ni &衛(wèi)

11、葉 mriu.童口期:忙柯為事1衣目#丨*】I 邁亀gi：apilll*-嶽L護(hù)前 了-X6細(xì)線會(huì)彎曲，但是因?yàn)?.2N2.0N,故細(xì)線又會(huì)收緊，帶動(dòng)滑輪運(yùn)動(dòng)。將軸向位移傳遞給銜鐵。2. 當(dāng)水位下降時(shí)，F(xiàn)浮2.2N.所以浮子能夠克服游絲扭矩向下移動(dòng)。達(dá)到同步作用。綜上，在兩種情況下的液位變化都能將位移傳遞給銜鐵，實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)化， 達(dá)到測(cè)量目的。5.實(shí)物仿真圖七.誤差分析:1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響 輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使

12、線圈磁場(chǎng) 發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用 恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減 少溫度的影響。3、零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值（從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。 零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì) 使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。圖中el為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干

13、擾等。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： 基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電 路參數(shù)（互感M自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感 應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻， 線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦 (主要是 三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。 另外，激勵(lì)電流波形失真， 因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。消除零點(diǎn)殘余電壓方

14、法：1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)， 采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材 料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高 次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。2. 選用合適的測(cè)量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高 次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特 性曲線由1變到2,從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。相敏檢波后的輸出特性3. 采用補(bǔ)償線路由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，

15、也可將 電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生 變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路并聯(lián)電位器 W 用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示 電容C（0.02卩F）可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路 接入R0（幾百kQ ）或補(bǔ)償線圈L0（幾百匝）。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖R或L補(bǔ)償電路成本預(yù)算表格材料單價(jià)銷售公司用 量總計(jì)變壓器4.02 元/Kg天津魯岳銷售有限公司1Kg4元線圈230 元/Kg無(wú)錫鼎井金屬材料有限公司10g2.3元電阻18元/片威海諾金傳感技術(shù)有限公司1片18元電流表7 元/Kg上海赫特化工有限公司2Kg14元二極管35 元/Kg廣州帥源化工有限公司500g17.5 元滑輪0.2元/個(gè)深圳紅利豐科技有限公司5個(gè)1元傳動(dòng)軸/50元104.8元游絲 銜鐵 銅管 細(xì)線 浮球 其他各成員具體職責(zé)：?項(xiàng)目經(jīng)理：總體的項(xiàng)目策劃，確保項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)各組員的工作，參與方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)書(shū)的編寫(xiě)與