任務(wù)五 差動變壓器式壓力傳感器

教學(xué)內(nèi)容任務(wù)五差動變壓器式傳感器課時(shí)2教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1.了解差動變壓器式傳感器的工作原理；2.了解差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)及分類；3.理解差動變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路；4.掌握差動變壓器式傳感器的實(shí)際應(yīng)用及接線方法。能力目標(biāo)1.能利用差動變壓器式傳感器測量壓力；2.會識別各種差動變壓器式傳感器。素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)全面分析和解決問題的能力；2.培養(yǎng)勤觀察、勤動手的良好習(xí)慣。教學(xué)重點(diǎn)1.差動變壓器式傳感器的工作原理；2.差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)及分類；3.差動變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路；4.差動變壓器式傳感器的實(shí)際應(yīng)用及接線方法。教學(xué)難點(diǎn)1.差動變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路；2.差動變壓器式傳感器的實(shí)際應(yīng)用及接線方法。教學(xué)策略教法學(xué)法講解，分析討論，動畫觀看，ppt展示教學(xué)手段教具準(zhǔn)備課件，多媒體，ppt，圖片，動畫，視頻教學(xué)過程教學(xué)要點(diǎn)及教師活動學(xué)生活動教學(xué)引入壓電式傳感器在技術(shù)層面有局限性，比如它只能檢測動態(tài)力，而在測量靜態(tài)力時(shí)就不能運(yùn)用壓電式傳感器來完成測量了。對于靜態(tài)力如何測量呢？在電學(xué)中我們學(xué)習(xí)過電磁感應(yīng)，到銜鐵移動時(shí)在次級線圈B中的感應(yīng)電流也將發(fā)生改變，這就是我們將學(xué)習(xí)的另外一種壓力檢測傳感器——差動變壓器式壓力傳感器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。學(xué)生思考，了解傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。教學(xué)過程教學(xué)要點(diǎn)及教師活動學(xué)生活動一、差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器是一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測中的變壓裝置。用于測量位移、壓力、振動等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測量，也可用于動態(tài)測量。1.差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)差動變壓器式傳感器主要由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊；次級線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的相同線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。2.差動變壓器式傳感器的工作原理差動變壓器式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理，即電磁感應(yīng)的互感現(xiàn)象。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測量帶動銜鐵改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器式傳感器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路圖中U1為一次繞組激勵(lì)電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個(gè)二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器式傳感器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組繞向相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時(shí)互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動勢，這時(shí)差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。二、差動變壓器式傳感器的分類差動變壓器式傳感器依據(jù)結(jié)構(gòu)原理不同可分為：變隙式差動變壓器式傳感器、變面積式差動變壓器式傳感器、螺線管式差動變壓器式傳感器三種。1.變隙式差動變壓器式傳感器變隙式差動變壓器式傳感器，a、b兩種結(jié)構(gòu)的變隙式差動變壓器，圖中C為銜鐵，當(dāng)圖a中銜鐵上下移動或者圖b中銜鐵左右移動時(shí)，改變了銜鐵與鐵芯間隙大小，即導(dǎo)致互感發(fā)生變化，這會導(dǎo)致次級線圈有信號輸出，從而檢測被測量。這種傳感器靈敏度高，測量范圍較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機(jī)械位移。2.螺線管式差動變壓器式傳感器螺線管式差動變壓器式傳感器，當(dāng)螺線管中的銜鐵隨著被測量移動時(shí)，線圈中的互感會發(fā)生變化，使次級線圈有信號輸出達(dá)到檢測。這種傳感器常用于位移在1毫米至上百毫米的測量。3.變面積式差動變壓器式傳感器變面積式差動變壓器式傳感器，e、f是兩種測量轉(zhuǎn)角的變面積式差動變壓器，當(dāng)銜鐵隨著被測量發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)，線圈中的互感會發(fā)生變化，從而次級線圈有信號輸出達(dá)到檢測，通?？蓽y到幾秒的微小位移。在三種差動變壓器式傳感器中，應(yīng)用最多的是螺線式差動變壓器，它可以測量范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。三、差動變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的極性；同時(shí)，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。因此，差動變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動直流輸出電路，即差動整流電路。當(dāng)沒有信號輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減小；當(dāng)有信號輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。差動變壓器式傳感器兩個(gè)二次線圈電壓分別整流后，以它們的差值作為輸出，這樣，二次線圈電壓的相位和零點(diǎn)殘余電壓都不必考慮。其中圖a、b所示電路用于連接高阻抗負(fù)載，輸出電壓；圖c、d所示電路用于連接低阻抗負(fù)載的場合，輸出電流。圖中可調(diào)電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓（輸出電壓零點(diǎn)）。由于整流部分在差動變壓器輸出端一側(cè)，所以只需兩根直流輸送線即可，而且可以遠(yuǎn)距離輸送，因而得到廣泛應(yīng)用。一般差動整流輸出的信號還必須通過低通濾波器，從而把調(diào)制的高頻信號衰減掉，只讓銜鐵運(yùn)動所產(chǎn)生的有效信號通過。四、差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高，可達(dá)0.1μm；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。它在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛應(yīng)用。它的種類有很多，包括壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等，因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測量。1.壓力測量差動變壓器式傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計(jì)，其中1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔。膜盒由兩片波紋膜片焊接而成，當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時(shí)，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。這種傳感器一般測量范圍在0-60MPa，輸出信號為0-10mA或0-30mV。2.位移測量差動變壓器式位移傳感器是在電磁感應(yīng)原理下測量出位移，當(dāng)初級線圈被供給一定頻率的交變電壓時(shí)，次級線圈就產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，隨著鐵芯的位置不同，次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也不同，由電動勢的不同推出的位移量的大小。差動變壓器式位移傳感器（LVDT）可廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械、建筑、紡織、鐵路、煤炭、冶金、塑料、化工以及科研院校等國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)，用來測量伸長、振動、物體厚度、膨脹等的高技術(shù)產(chǎn)品。3.加速度測量差動變壓器式加速度傳感器，主要依據(jù)的原理是牛頓第一定律即質(zhì)量塊的位移與被測物體的加速度正比，將加速度的測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。它由懸臂梁1和差動變壓器2構(gòu)成。測量時(shí)將懸臂梁的底座及差動變壓器的線圈骨架固定,而將差動變壓器中的銜鐵3的A端與被測振動體相連。當(dāng)被測體帶動銜鐵以△x(t)振動時(shí)，導(dǎo)致差動變壓器輸出電壓也按相同的規(guī)律變化。因此,可從差動變壓器的輸出電壓得知被測物體的振動參數(shù)。為滿足測量精度的要求,此系統(tǒng)的固有頻率不可能很