第3章變磁阻式傳感器

1、第3章 變磁阻式傳感器 3.1.1 3.1.1 基本自感式傳感器基本自感式傳感器 1.1.工作原理工作原理 基本變間隙自感式傳感器基本變間隙自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜由線圈、鐵芯和銜鐵組成，結(jié)構(gòu)如圖鐵組成，結(jié)構(gòu)如圖3.13.1所示。所示。 電感式傳感器又可分為變氣隙長度的傳感器電感式傳感器又可分為變氣隙長度的傳感器和變氣隙面積的傳感器。前者常用于測量直線位和變氣隙面積的傳感器。前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。移，后者常用于測量角位移。 2 2靈敏度靈敏度 變間隙式電感傳感器用于測量微小位移時是變間隙式電感傳感器用于測量微小位移時是比較準確的。為了減小非線性誤差，實際測量中比較準

2、確的。為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變間隙式電感傳感器。靈敏度廣泛采用差動變間隙式電感傳感器。靈敏度K為為202NSL圖3.1 變間隙自感式傳感器 001LLK第3章 變磁阻式傳感器 3.1.2 3.1.2 差動變間隙式傳感器差動變間隙式傳感器 差動變間隙式電感傳感器差動變間隙式電感傳感器采用兩個相同的采用兩個相同的傳感器共用一個銜鐵組成。電感相對變化量的傳感器共用一個銜鐵組成。電感相對變化量的靈敏度靈敏度K為為 單線圈式和差動式兩種變間隙式電感傳感單線圈式和差動式兩種變間隙式電感傳感器的特性比較：器的特性比較： 差動式比單線圈式的靈敏度高一倍；差動式比單線圈式的靈敏度高一倍； 差

3、動式的非線性項等于單線圈非線性項差動式的非線性項等于單線圈非線性項乘以因子，因為，所以，差動式的線性度得到乘以因子，因為，所以，差動式的線性度得到明顯改善。明顯改善。3.1.3 3.1.3 螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器 螺管型電感傳感器螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化，線圈電感量的大小與銜電感量也因此而變化，線圈電感量的大小與銜鐵位置有關(guān)。鐵位置有關(guān)。002LLK圖3.3 螺管型電感式傳感器 圖3.2 差動變間隙式電感傳感器 第3章 變磁阻式傳感器 3.1.4 3.1.

4、4 測量電路測量電路 1 1電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋 當銜鐵偏離中間位置時，電橋失去平衡。當銜鐵偏離中間位置時，電橋失去平衡。 K 稱為差動電感傳感器連成四臂電橋的靈稱為差動電感傳感器連成四臂電橋的靈敏度。敏度。K的物理意義是：銜鐵單位移動量引起的物理意義是：銜鐵單位移動量引起的電橋輸出電壓的電橋輸出電壓。K值越大，靈敏度越高。值越大，靈敏度越高。 2 2交流變壓器式電橋交流變壓器式電橋 銜鐵上移時，銜鐵上移時， 銜鐵下移時，銜鐵下移時， 由于輸出由于輸出Uo o是交流電壓，輸出指示無法判是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解

5、決。 圖3.4 電阻平衡臂電橋電路 1212oss121222ZZRZZUUUZZRZZ()()() K0U圖3.5 變壓器式交流電橋測量電路o22UZULUZLo22UZULUZL 第3章 變磁阻式傳感器 3 3調(diào)幅電路調(diào)幅電路 當傳感器線圈電當傳感器線圈電量變化時，諧振曲線量變化時，諧振曲線將左右移動，工作點將左右移動，工作點就在同一頻率的縱坐就在同一頻率的縱坐標直線上移動（如移標直線上移動（如移至至B點），于是輸出點），于是輸出電壓的幅值就發(fā)生相電壓的幅值就發(fā)生相應(yīng)的變化。應(yīng)的變化。 4 4調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻電路的基本調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓

6、變化將引起輸出電壓頻率的變化。頻率的變化。 圖3.7 調(diào)頻電路 圖3.6 諧振電路 第3章 變磁阻式傳感器 3.2.1 3.2.1 螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器 螺線管式差動變壓器由一個初級線圈、螺線管式差動變壓器由一個初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。等組成。 等效電路如圖等效電路如圖3.9所示，其中所示，其中U1、I1為初級為初級線圈激勵電壓與電流（頻率為線圈激勵電壓與電流（頻率為w w ）；）；L1、R1為初級線圈電感與電阻；為初級線圈電感與電阻；M1、M2分別為初分別為初級線圈與次級線圈級線圈與次級線圈1、2間的互感；

7、間的互感；L21、L22和和R21、R22分別為兩個次級線圈的電感和電分別為兩個次級線圈的電感和電阻。阻。 在負載開路情況下，輸出電壓為在負載開路情況下，輸出電壓為 由于在一定的范圍內(nèi)，互感的變化由于在一定的范圍內(nèi)，互感的變化 M與位移與位移x成正比，所以的變化與位移的變化成正比，所以的變化與位移的變化成正比成正比。 圖3.8 螺線管式差動變壓器 圖3.9 等效電路12112jjUUMRLww第3章 變磁阻式傳感器 實際上，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器的輸出電壓并不實際上，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器的輸出電壓并不等于零，通常把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為等于零，通常把差動變壓器

8、在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電零點殘余電壓壓。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不過零點，造成實際特性與。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。特性曲線如圖理論特性不完全一致。特性曲線如圖3.103.10所示。所示。 圖3.10 零點殘余電動勢 零點殘余電動勢使得傳感器零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為測量帶來誤差。 為了減小零點殘余電動勢，為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法：可采用以下方法： 盡可能保證傳感器尺寸、盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。 選用

9、合適的測量電路。選用合適的測量電路。 采用補償線路減小零點采用補償線路減小零點殘余電動勢。殘余電動勢。第3章 變磁阻式傳感器 3.2.2 3.2.2 變間隙式差動變壓器傳感器變間隙式差動變壓器傳感器 由差動變壓器的特性可知，差動變壓器由差動變壓器的特性可知，差動變壓器的輸出與初級線圈對兩個次級線圈的互感之的輸出與初級線圈對兩個次級線圈的互感之差有關(guān)。結(jié)構(gòu)形式不同，互感的計算方法就差有關(guān)。結(jié)構(gòu)形式不同，互感的計算方法就有所不同。有所不同。P P型差動變壓器的輸出特性為型差動變壓器的輸出特性為 輸出電壓輸出電壓Uo o與銜鐵位移與銜鐵位移 成比例。式中成比例。式中負號表明負號表明 向上為正時，輸出

10、電壓與電源電向上為正時，輸出電壓與電源電壓反相；壓反相； 向下為負時，兩者同相。向下為負時，兩者同相。 P P型差動變壓器的靈敏度表達式為型差動變壓器的靈敏度表達式為圖3.11 變間隙式2o10NUUN o201UUNKN第3章 變磁阻式傳感器 3.2.3 3.2.3 測量電路測量電路 1 1差動整流電路差動整流電路 圖圖3.123.12所示為典型的差動全波整流電所示為典型的差動全波整流電壓輸出電路。壓輸出電路。這種電路把差動變壓器的兩這種電路把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別全波整流，然后將整個次級輸出電壓分別全波整流，然后將整流電壓的差值作為輸出，電阻流電壓的差值作為輸出，電阻R R0 0

11、用于調(diào)整零用于調(diào)整零點殘余電壓。點殘余電壓。 圖圖3.133.13所示為差動全波整流電壓輸出所示為差動全波整流電壓輸出波形波形。 圖3.12 差動整流電路圖圖3.13 差動整流波形第3章 變磁阻式傳感器 2 2相敏檢波電路相敏檢波電路 u0處于正半周時，處于正半周時，VDVD2 2、VDVD3 3導通，導通，VDVD1 1、VDVD4 4截止，形成兩條電流截止，形成兩條電流通路，通路，等效電路如圖等效電路如圖3.15所示。所示。電流通路電流通路1 1為為 C CVDVD2 2B B R RL L 電流通路電流通路2 2為為 R RL L B BVDVD3 3D D圖3.14 二極管相敏檢波電路

12、 01u22u22u01u02u22u22u02u第3章 變磁阻式傳感器 當當u2與與u0同處于負半周時，同處于負半周時，VDVD1 1、VDVD4 4導通，導通，VDVD2 2、VDVD3 3截止，同樣有兩條截止，同樣有兩條電流通路，等效電路如圖電流通路，等效電路如圖3.163.16所示。電流通路所示。電流通路1 1為為 R RL L ARVD ARVD1 1CC 電流通路電流通路2 2為為DRVDDRVD4 4A RA RL L 傳感器銜鐵上移傳感器銜鐵上移 傳感器銜鐵下移傳感器銜鐵下移 01u21u21u01u02u21u21u02u 圖3.15 等效電路 圖3.16 等效電路 L2L1

13、L2R uunRR()L2L1L2R uunRR ()第3章 變磁阻式傳感器 3.3.1 3.3.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的工作原理 金屬導體被置于變化著的磁場中，或在金屬導體被置于變化著的磁場中，或在磁場中運動，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，該磁場中運動，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流被稱為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象被感應(yīng)電流被稱為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象被稱為稱為渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。 一般地，線圈電感量的變化與導體的電一般地，線圈電感量的變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)、導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率，以及線圈與被測導體之間的激勵電流頻率，以及

14、線圈與被測導體之間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)恒定不變，則電感量就成改變，而其余參數(shù)恒定不變，則電感量就成為此參數(shù)的單值函數(shù)。如只改變線圈與金屬為此參數(shù)的單值函數(shù)。如只改變線圈與金屬導體間的距離，則電感量的變化即可反映出導體間的距離，則電感量的變化即可反映出這二者之間的距離大小變化。這二者之間的距離大小變化。 圖3.17 電渦流傳感器的工作原理圖第3章 變磁阻式傳感器 3.3.2 3.3.2 電渦流傳感器種類電渦流傳感器種類 1 1高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器 電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是磁性電渦流傳感器

15、的線圈與被測金屬導體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。進行測量的。 2 2低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器 由于金屬板中產(chǎn)生渦流的大小與金屬板的厚度由于金屬板中產(chǎn)生渦流的大小與金屬板的厚度有關(guān)，金屬板越厚，則板內(nèi)產(chǎn)生的渦流越大，削弱有關(guān)，金屬板越厚，則板內(nèi)產(chǎn)生的渦流越大，削弱的磁力線越多，接收線圈中產(chǎn)生的電勢也越小。因的磁力線越多，接收線圈中產(chǎn)生的電勢也越小。因此，可根據(jù)接收線圈輸出電壓的大小，確定金屬板此，可根據(jù)接收線圈輸出電壓的大小，確定金屬板的厚度。的厚度。 圖3.18 高頻反射式電渦流傳感器圖3.19

16、 低頻透射式電渦流傳感器 第3章 變磁阻式傳感器 3.3.3 3.3.3 測量電路測量電路 1 1載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式 測量電路由測量電路由3 3個部分組成：電容三點式振蕩器、檢波器和射極跟隨器。個部分組成：電容三點式振蕩器、檢波器和射極跟隨器。 圖3.20 調(diào)頻調(diào)幅式測量電路 第3章 變磁阻式傳感器 2 2調(diào)頻式測量電路調(diào)頻式測量電路 3 3電橋電路電橋電路圖3.22 調(diào)頻式測量電路 圖3.23 電橋法原理圖 第3章 變磁阻式傳感器 3.4.1 3.4.1 自感式傳感器的應(yīng)用自感式傳感器的應(yīng)用 1 1壓力測量壓力測量 2 2位移測量位移測量 1基底；2電阻絲；3覆

17、蓋層；4引線圖2.23 電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1引線；2線圈；3銜鐵；4測力彈簧；5導桿；6測端圖3.25 電感測微儀原理框圖 圖3.24 變間隙式差動電感壓力傳感器第3章 變磁阻式傳感器 3.4.2 3.4.2 變壓器式傳感器的應(yīng)用變壓器式傳感器的應(yīng)用 1 1加速度測量加速度測量 2 2壓力測量壓力測量 圖3.26 差動變壓器式加速度傳感器原理圖 1罩殼；2差動變壓器；3插頭；4膜盒；5接頭；6銜鐵 圖3.27 差動變壓器式壓力傳感器原理圖 第3章 變磁阻式傳感器 3.4.3 3.4.3 電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器的應(yīng)用 1 1測位移測位移 圖3.29 主軸軸向位移測量原理圖圖3.

18、29 主軸軸向位移測量原理圖 第3章 變磁阻式傳感器 2 2測量轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速 3 3探傷探傷 4 4測溫測溫 圖3.30 轉(zhuǎn)速測量 圖3.31 用渦流探傷時的測試信號 圖3.32 測溫的電渦流式傳感器60fnN10101()tt第3章 變磁阻式傳感器 小 結(jié) 變磁阻式傳感器利用被測量的變化使線圈電感量發(fā)生改變來實現(xiàn)測變磁阻式傳感器利用被測量的變化使線圈電感量發(fā)生改變來實現(xiàn)測量的。它可分為自感式傳感器、變壓器式傳感器、電渦流傳感器等幾種，量的。它可分為自感式傳感器、變壓器式傳感器、電渦流傳感器等幾種，而前兩種又統(tǒng)稱為電感式傳感器。而前兩種又統(tǒng)稱為電感式傳感器。 自感式變間隙傳感器有基本變間隙傳感器與差動變間隙式傳感器。自感式變間隙傳感器有基本變間隙傳感器與差動變間隙式傳感器。兩者相比，后者的靈敏度比前者的高一倍，且線性度得到明顯改善。兩者相比，后者的靈敏度比前者的高一倍，且線性度得到明顯改善。 變壓器式傳感器屬于互感式傳感器，把被測得的非電量轉(zhuǎn)換為線圈變壓器式傳感器屬于互感式傳感器，把被測得的非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感量的變化。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式有變隙式、變面積式和螺線管間互感量的變化。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式有變隙式、變面積式和螺線管式等，其中應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。式等，其中應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。 電渦流式