传感器技术第5讲变磁阻式传感器.ppt

传感器技术传感器技术第第5讲讲 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 主讲教师主讲教师:刘遥生刘遥生联系电话联系电话第第5课课 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 内容：内容：一、电感式传感器一、电感式传感器 二、变压器式传感器二、变压器式传感器 三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器 目的：目的：1 1、了解变磁阻式传感器的基本工作原理；、了解变磁阻式传感器的基本工作原理；2、掌握、掌握变磁阻式传感器的基本结构和应用变磁阻式传感器的基本结构和应用技术技术。什么是变磁阻式传感器什么是变磁阻式传感器?利利用用线线圈圈电电感感或或互互感感的的改改变变来来实实现现非非电电量测量的传感器称变磁阻式传感器。量测量的传感器称变磁阻式传感器。变磁阻式传感器是一种机电转换装置，在自动控变磁阻式传感器是一种机电转换装置，在自动控制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器之一。之一。与其它传感相比较有如下特点：与其它传感相比较有如下特点：1 1、结构简单，寿命长。、结构简单，寿命长。2 2、灵敏度和分辩率高。能测出、灵敏度和分辩率高。能测出m m 的机械位移量。输出信号强。的机械位移量。输出信号强。3 3、重复性好，线性度优良。、重复性好，线性度优良。第一节电感式传感器第一节电感式传感器 内容：内容：一、电感式传感器主要用途和结构一、电感式传感器主要用途和结构 二、二、电感式传感器的简单工作原理电感式传感器的简单工作原理 三、三、电感式传感器的基本类型电感式传感器的基本类型四、测量电路四、测量电路 第一节电感式传感器第一节电感式传感器 一、电感式传感器主要用途和结构一、电感式传感器主要用途和结构 铁芯衔铁线圈电感式传感器电感式传感器 1、用途、用途 电电感感式式传传感感器器主主要要用用于于测测量量位位移移、压压力力、力力、振动和加速度。振动和加速度。2 2、结构、结构线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁第一节电感式传感器第一节电感式传感器 二、工作原理二、工作原理 传传感感器器运运动动部部分分与与衔衔铁铁相相连连。当当衔衔铁铁移移动动时时，气气隙隙厚厚度度发发生生改改变变，引引起起磁磁路路中中磁磁阻阻变变化化，从从而而导导致致电电感感线线圈圈的的电电感感值值变变化化，因因此此只只要要测测出出这这种种电电感感量量的的变变化化，就就能能确确定定衔铁位移量的大小和方向。衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可由下式计算：根据电感定义，线圈中电感量可由下式计算：L=/式中式中线圈的匝数；线圈的匝数；穿过线圈的磁通，穿过线圈的磁通，=I/Rm Rm=2/0S0 通过线圈的电流通过线圈的电流当气隙磁阻远大于铁芯和衔当气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻时，可近似为铁的磁阻时，可近似为:(0空气的导磁率空气的导磁率)铁芯衔铁线圈S0第一节电感式传感器第一节电感式传感器 二、工作原理二、工作原理 上式表示，当线圈匝数为常数上式表示，当线圈匝数为常数时，电感时，电感L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，只要改变的函数，只要改变或或S0均可均可导致电感变化，因止电感式传导致电感变化，因止电感式传感器又可分为变气隙厚度感器又可分为变气隙厚度的传的传感器和变气隙面积感器和变气隙面积S0的传感器的传感器铁芯衔铁线圈S0第一节电感式传感器第一节电感式传感器 三、电感式传感器的类型三、电感式传感器的类型 铁芯衔铁线圈S0单线圈式传感器铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器第一节电感式传感器第一节电感式传感器 四、测量电路四、测量电路 铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器Z2Z1Z2Z1Z3=RU0Z4=RUAC交流电桥测量电路L0衔铁在中间位置时单个线圈的电感,，L两线圈电感的差量第一节电感式传感器第一节电感式传感器 四、测量电路四、测量电路 铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器Z2Z1UIUI/2UI/2Z1Z2Uo变压器式交流电桥第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 内容：一、结构及原理内容：一、结构及原理 二、基本特性二、基本特性 三、测量电路三、测量电路第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理一、结构及原理1、什么叫差动变压器式传感器？、什么叫差动变压器式传感器？把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。感器。1 1变隙式变隙式2 2变面积式变面积式3 3螺线管式螺线管式2 2、类型、类型活动衔铁活动衔铁导磁外壳导磁外壳骨架骨架次级绕组次级绕组初级绕组初级绕组次级绕组次级绕组图图-3 -3 螺线管差变压器结构图螺线管差变压器结构图第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）一、结构及原理（螺旋管式）第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）一、结构及原理（螺旋管式）图图-6 -6 三节式三节式图图-4 -4 一节式一节式图图-5 -5 二节式二节式图图-7 -7 四节式四节式第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）一、结构及原理（螺旋管式）图图-8 -8 五节式五节式第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）一、结构及原理（螺旋管式）图图-3 -3 螺线管差变压器结构图螺线管差变压器结构图次级绕组次级绕组初级绕组初级绕组次级绕组次级绕组第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）一、结构及原理（螺旋管式）次级绕组次级绕组次级绕组次级绕组图图-3 -3 螺线管差变压器结构图螺线管差变压器结构图初级绕组初级绕组第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 二、测量电路（螺旋管式）二、测量电路（螺旋管式）0UU00U直接利用测量信号只能识别移动大小，但不能识别方向第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 二、测量电路（螺旋管式）二、测量电路（螺旋管式）第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 二、测量电路（螺旋管式）二、测量电路（螺旋管式）第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 二、结构类型二、结构类型 三、测量电路三、测量电路第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 1、何谓电涡流式传感器、何谓电涡流式传感器？运用运用电涡流效应电涡流效应构成的某参数测量装置构成的某参数测量装置称称电涡流式传感器电涡流式传感器。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 2、什么是电涡流效应、什么是电涡流效应?当当线线圈圈通通一一交交变变电电流流时时，线线圈圈周周围围就产生一个交变磁场就产生一个交变磁场H1。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 2、什么是电涡流效应、什么是电涡流效应?如如果果把把一一块块导导体体放放在在变变化化着着的的磁磁场场中中或或相相对对于于磁磁场场力力时时，由由于于导导体体内内部部可可构构成成闭闭合合回回路路，穿穿过过回回路路的的磁磁通通发发生生变变化化，因因此此在在导导体体中中也也会会产产生生感感应应电电流流，这这些些电电流流在在导导体体内内自自行行闭闭合合成成漩漩涡涡状状，故故称称为为电电涡涡流流，筒筒称称涡涡流流。该该涡涡流流产产生生的的磁磁场场H2与与H1方方向向相相反反，力力图图削削弱弱原原磁磁场场H1，从从而而导导致致线线圈圈的的电电感感量量L、阻阻抗抗Z和和品品质质因因数数Q发发生生变变化，这就是化，这就是电涡流效应电涡流效应。H1H2第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 图图15高高频频反反式式电电涡涡流流传传感感器器原理一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 有有一一通通交交变变电电流流I I1 1的的传传感感器器线线圈圈，由由于于电电流流I I1 1的的存存在在，线线圈圈周周围围就就产产生生一一个个交交变变磁磁场场H1H1。若若被被测测导导体体置置于于该该磁磁场场范范围围内内，导导体体内内便便产产生生电电涡涡流流I I2 2，I I2 2也也将将产产生生一一个个新新磁磁场场H2H2；H2H2与与H1H1方方向向相相反反，力力图图削削弱弱原原磁磁场场H1H1，从从而而导导致致线线圈圈的的电电感感量量L L、阻阻抗抗Z Z和和品品质质因因数数Q Q发生变化。发生变化。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 图图15高高频频反反式式电电涡涡流流传传感感器器原理一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 影响参数的变化因数：影响参数的变化因数：（取决于导体的）（取决于导体的）1几何形状几何形状2电导率电导率4线圈的几何参数线圈的几何参数5电流的频率电流的频率f f6线圈到被测导体间的距离线圈到被测导体间的距离x x3磁导率磁导率 控制上述参数中的任一参数改变，余者皆不控制上述参数中的任一参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。变，就能构成测量该参数的传感器。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 图图15高高频频反反式式电电涡涡流流传感器传感器原理一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 （4-35）（4-36）（4-37）第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 由式（4-35）（4-37）可知，线圈金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数L又是距离X的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，z z=f f1 1(x x)、L L=f f2 2(x x)、Q Q=f f3 3(x x)都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1 1高频反射式高频反射式2 2变面积式变面积式3 3螺旋式螺旋式4 4低频透射式低频透射式类类 型（型（4种）种）第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式高频反射式 由一个扁平线圈固定在由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制漆包铜线或银线绕制(高温使高温使用时可采用铼钨合金线用时可采用铼钨合金线)，用，用粘结剂粘在框架端部或绕制粘结剂粘在框架端部或绕制在框架槽内。在框架槽内。线线圈圈框框架架框框架架衬衬套套支支座座插插头头电电缆缆电涡流传感器的结构电涡流传感器的结构第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式高频反射式 分析表明，这种传感器分析表明，这种传感器线圈外径大时，线圈的磁场线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围大，线圈外径轴向分布范围大，线圈外径小时则相反小时则相反。线圈轴向磁感应强度与轴向距离的关系线圈轴向磁感应强度与轴向距离的关系第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式高频反射式 需要指出需要指出由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，被测导体作为间的电磁耦合进行工作的，被测导体作为“实际传感器实际传感器”的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。因此有必要对被测体进行讨论。性密切相关。因此有必要对被测体进行讨论。1、被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。2、被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量精度。精度。3、被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。4、对被测体厚度也有一定要求。对被测体厚度也有一定要求。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 2 2变面积式变面积式 这这种种传传感感器器是是利利用用被被测测导导体体与与传传感感器器线线圈圈之之间间相相对对覆覆盖盖面面积积的的变变化化引引起起涡涡流流效效应应的的变变化化来来测测量量位位移移的的。测测量量的的线线性性范范围围比比高高频频反反射射式式大大，且且线线性性度提高。度提高。被测圆筒被测圆筒X第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 3 3螺旋式螺旋式 由铜由铜(或银或银)制短路套筒和螺管线圈组成，短路套筒能沿螺管制短路套筒和螺管线圈组成，短路套筒能沿螺管线圈轴向移动。这种传感器与螺管式电感传感器相似，但不存在线圈轴向移动。这种传感器与螺管式电感传感器相似，但不存在铁损；线性范围宽，但灵敏度较低。为此，常用差动结构，且取铁损；线性范围宽，但灵敏度较低。为此，常用差动结构，且取短路套筒长为线圈长的短路套筒长为线圈长的60左右。左右。螺管线圈螺管线圈 螺管线圈螺管线圈 短路套筒短路套筒 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 4 4低频透射式低频透射式 这种类型与前三种的这种类型与前三种的主要不同在于它采用低频主要不同在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用激励，贯穿深度大，适用测量厚度。测量厚度。组成：发射线圈发射线圈L、接收线圈、接收线圈L2组成组成 发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 4 4低频透射式低频透射式原原理理：当当低低频频激激励励电电压压U1加加到到L1的的两两端端时时，将将在在L2的的两两端端产产生生感感应应电电压压U2。若若两两线线圈圈之之间间无无金金属属导导体体，L1的的磁磁场场就就能能直直接接贯贯穿穿L2，这这时时U2最最大大。当当有有金金属属板板后后，其其产产生生的的涡涡流流，削削弱弱了了L1的的磁磁场场，造造成成U2下下降降。金金属属板板越越厚厚，涡涡流流损损耗耗大大，U2就就越越小小。因因此此可可利利用用U2的的大大小小来来反反映金属板的厚度。映金属板的厚度。发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 针针对对被被测测变变量量可可以以转转换换为为线线圈圈电电感感L、阻阻抗抗Z或或品品质质因因数数Q值值的的三三种种参参数数的的变变化化，测测量量电电路路也也有有三三种。种。2、电桥电路、电桥电路3、Q值测试电路。值测试电路。（Q值测试电路较少采用）值测试电路较少采用）1、谐振电路、谐振电路 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路（1）定频调幅式）定频调幅式（2）变频调幅式）变频调幅式（3）调频式。）调频式。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路（1）定频调幅式）定频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路（1）定频调幅式）定频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路（2）变频调幅式）变频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路（2）变频调幅式）变频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路（3）调频式）调频式第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 一、电感式传感器的应用一、电感式传感器的应用 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 二、差动变压器式传感器的应用二、差动变压器式传感器的应用 1测量振动和加速度测量振动和加速度 差动变压器式加速度传感器的结构示意图差动变压器式加速度传感器的结构示意图 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 二、差动变压器式传感器的应用二、差动变压器式传感器的应用 2测量大型构件的应力和位移测量大型构件的应力和位移 差动变压器式传感器测量应力和位移原理图差动变压器式传感器测量应力和位移原理图 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用三、电涡流式传感器的应用1测量位移测量位移 液位监控系统液位监控系统 涡流板涡流板 传感器传感器 浮子浮子 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用三、电涡流式传感器的应用 2测量厚度测量厚度测金属板厚度示意图测金属板厚度示意图第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用三、电涡流式传感器的应用 3测量温度测量温度 在在较较小小的的温温度度范范围围内内，导导体体的电阻率与温度的关系为的电阻率与温度的关系为：式式中中 p1、p0分分别别为为温温度度t1与与t0时时的的电电阻率；阻率；为为在在给给定定温温度度范范围围内内的的电电阻阻温温度度系数。系数。补偿线圈补偿线圈管架管架测量线圈测量线圈温度敏感元件温度敏感元件隔热衬垫隔热衬垫测温用涡流式传感器示意图测温用涡流式传感器示意图 高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。第四章第四章 变磁阻式传感器小结变磁阻式传感器小结 1电感式传感器电感式传感器 主主要要介介绍绍变变隙隙式式电电感感传传感感器器，它它分分为为变变气气隙隙厚厚度度的的和和变变气气隙隙面面积积的的两两种种类类型型传传感感器器，使使用用最最广广泛泛是是变变气气隙隙厚厚度度式式电电感感传传感感器器，变变气气隙隙式式电电感感传传感感器器分分单线圈式和差动式两种类型。单线圈式和差动式两种类型。2差动变压器式传感器差动变压器式传感器 分分为为变变隙隙式式、变变面面式式、和和螺螺线线管管式式三三种种，应应用用较较为为广广泛泛的的是是螺螺线线管管式式差差动动变变压压器。螺线管式差动变压器由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳组成。器。螺线管式差动变压器由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳组成。3电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流式传感器是根据电涡流效应制成的。当块状金属导体置于交变磁场电涡流式传感器是根据电涡流效应制成的。当块状金属导体置于交变磁场中，或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此中，或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此即电涡流效应。即电涡流效应。完完