第三章变磁阻.ppt

传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 变磁阻式传感器是一种机电转换装置，它可以对直线位移和角位移进行直接测量，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之一。变磁阻式传感器与其他传感器相比较有如下几个特点：1结构简单，工作中没有活动电接触点，因而，工作可靠，寿命长；2灵敏度高分辨率大，能测出0.01m甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1rad/s微小角度变化。3.频率响应差，并存在交流零位信号，不宜于高频动态测量等，主要缺点。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器第一节第一节 自感式传感器自感式传感器 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现信号测量的。根据其转换原理，可分为自感式和互感式两大类。一、自感式电感传感器工作原理一、自感式电感传感器工作原理 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器（一）变间隙型电感传感器（一）变间隙型电感传感器 变间隙型自感式电感传感器的结构如图3-1所示。图3-1 变间隙型自感式传感器l-线圈，2-铁心，3-可动衔铁传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器线圈的电感量可用公式线圈的电感量可用公式L=N2Rm计算。式中，计算。式中，N为为线圈匝数；线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。对于变间隙型电感式传为磁路总磁阻。对于变间隙型电感式传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：（3-1）式中：L1 磁通通过铁心的长度；L2 磁通通过衔铁的长度；S1铁心的截面积；S2衔铁的截面积；S0气隙的截面积；1 铁心磁导率；2 衔铁磁导率；0 空气磁导率；气隙长度。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可忽略，因此线圈的电感值可近似地表示为：（3-2）（二）变面积型电感式传感器（二）变面积型电感式传感器 由图可以看出线圈的电感量也为：图3-2 变面积型电感式传感器 1-线圈，2-铁心，3-可动衔铁 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器（三）螺管型电感式传感器（三）螺管型电感式传感器 （3-3）式中：L线圈的电感量；l线圈长度；la衔铁进入线圈的长度；r线圈的平均半径；ra衔铁的半径；N线圈的匝数；m铁心的有效磁导率。图3-3 螺管型电感式传感器1-线圈，2-衔铁 线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。根据物理计算，线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为：传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 通过以上三种形式的电感式传感器的分析，可以得出以下几点结论：变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难；变面积型灵敏度比变间隙型灵敏度小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛；螺管型灵敏度较低，但量程大、结构简单且易于制作和批量生产，常用于测量精度要求不太高的场合。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器（四）差分式电感传感器（四）差分式电感传感器 在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差分式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。结构示意图如图3-4所示。(a)(b)(c)图3-4 差分式电感传感器(a)变间隙型，(b)变面积型，(c)螺管型1-线圈，2-铁心，3-衔铁，4-导杆 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 差分式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸和材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差分式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器二、自感式电感传感器的测量电路二、自感式电感传感器的测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。因为差分式结构可以提高灵敏度、改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻也可以是变压器的二次绕组或紧耦合电感线圈。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器1.电阻平衡电桥电阻平衡电桥 (a)(b)(c)图3-5 自感式电感传感器的测量电路(a)电阻平衡电桥，(b)变压器式电桥，(c)紧耦合电感比例臂电桥传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 Z1，Z2为传感器阻抗，Z1=Z2=Z=R+jL，另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差分形式，则在工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，电桥的输出电压为：(3-4)当LR时，上式可写为：(3-5)由式(3-5)可以看出，交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器（3-6）2.变压器式电桥变压器式电桥 变压器式电桥如图3-5(b)所示。它的平衡臂为变压器的二次绕组，当负载阻抗无穷大时，输出电压为：传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 由于是双管工作形式，当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则：同理，当衔铁上移时，则：可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随L的变化，输出电压也相应地改变。因此，这种电路可判别位移的大小和方向。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器3.紧耦合电感比例臂电桥紧耦合电感比例臂电桥 它由差分形式工作的传感器的两个阻抗做电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂，从而组成了电桥电路，如图3-5（c）所示。该电桥电路的优点是，与输出端并联的任何分布电容对平衡时的输出毫无影响。这就使桥路平衡稳定，简化了桥路接地和屏蔽的问题，大大改善了电路的零稳定性。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 由两个或多个带铁心的电感线圈组成，一、二次绕组之间的耦合，可随衔铁或两个绕组之间的相对移动而改变，可把被测量位移转换为传感器的互感变化，从而将被测位移转换为电压输出，如图3-6所示。由于使用比较广泛的是采用两个二次绕组，将其同名端串接而以差动方式输出的传感器，所以把这种传感器称为差动变压器式传感器。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图3-6 差动变压器式传感器1-一次统组，2、3-二次绕组4-衔铁，5-导杆传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器二、测量电路二、测量电路 差动变压器随衔铁的位移可输出一个调幅波，因而用电压表来测量存在下述问题：总有零位电压输出，因而本位附近的小位移量的测量比较困难；交流电压表无法判断衔铁移动方向。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器l.相敏检波电路相敏检波电路 图3-7 相敏检波电路传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 相敏检波电路要求比较电压和差动变压器二次输出电压频率相同，相位相同或相反。为了保证这一点，通常在电路中接入移相电路。另外由于比较电压在检波电路中起开关作用，因此其幅值应尽可能大，一般应为信号电压的35倍。图中Rp为电桥调零电位器。对于小位移测量，由于输出信号小，在电路中还要接入放大器。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器2.差动整流电路差动整流电路 动整流电路是常用的电路形式，它对两个二次绕组的感应电动势分别整流，然后再把两个整流后的电流或电压串成通路合成输出，几种典型的电路如图3-8所示。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图3-8 差动整流电路 这种电路不需要比较电压绕组，不需要考虑相位调整和零位输出电压影响，不必考虑感应和分布电容的影响。由于整流部分在差动输出一侧，故两根直流输送线连接方便，可远距离输送。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器3.直流差动变压器电路直流差动变压器电路 直流差动变压器电路原理如图3-9所示，它由直流电源、多谐振荡器、差动整流电路、滤波器组成。多谐振荡器提供高频激励电源，它可以是产生正弦波、三角波或方波的电路。直流差动变压器一般用于差动变压器与控制室相距较远（大于100m）、要求设备之间不产生干扰、便于携带测量的场合。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图3-9 直流差动变压器电路原理图 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 电涡流式传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近处于交变磁场中的金属导体两部分组成，金属导体也可以是被测对象本身。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器的工作原理一、电涡流式传感器的工作原理 图3-10 电涡流作用原理图传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心绕组，它与正弦交流电源接通，通过绕组的电流会在绕组周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个绕组时，金属导体中便会产生电涡流，如图3-10所示。涡流的大小与金属导体的电阻率、磁导率、厚度d、绕组与金属导体的距离x、绕组励磁电流的角频率等参数有关。如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外一些参数。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 由电涡流所造成的能量损耗将使绕组电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用将使绕组电感量减小，从而引起绕组等效阻抗Z及等效品质因数Q值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，例如金属的电导分率、磁导率、几何形状、绕组与导体的距离等，均可通过测量绕组的等效电阻R、等效电感L、等效阻抗Z及等效品质因数Q来测量。这便是电涡流式传感器的工作原理。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器二、电涡流式传感器的结构二、电涡流式传感器的结构 电涡流式传感器的结构主要是一个绕制在框架上的绕组，目前使用比较普遍的是矩形截面的扁平绕组。图3-11 CZF1型涡流传感器的结构图l-线圈，2-框架，3-框架衬套，4-支架，5-电缆，6-插头 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的，并利用这种耦合程度的变化作为测试值，无论是被测体的物理性质，还是它的尺寸和形状都与测量装置的特性有关。所以作为传感器的线圈装置仅为实际传感器的一半，而另一半是被测体，所以，在电涡流式传感器的设计和使用中，必须同时考虑被测物体的物理性质和几何形状及尺寸。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器表表3-1 CZF1型电涡流传感器性能型电涡流传感器性能 型 号线性范围/m线圈外径/mm分辨率/m线性误差/%使用温度范围/CZF110001000713-1580CZF130003000153 3-1580CZF150005000285 3-1580传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器三、电涡流式传感器的测量电路三、电涡流式传感器的测量电路 1.电桥电路电桥电路 图中L1、L2为传感器线圈，它们与C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。电桥电路的电源由振荡器供给，当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡，经线性放大和检波，就可以得到与被测量成比例的电压输出。图3-12 电桥电路原理图 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器2.谐振电路谐振电路 图3-13 谐振电路原理图 谐振电路的输出是调制波。控制幅值变化的称调幅波；控制频率变化的称调频波。调幅波要经过幅值检波，调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图3-14 调幅线路特性曲线 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 CZF1型电涡流传感器测量电路框图如图3-15所示。晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经耦合电阻R接电涡流传感器绕组与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减小，是一种调幅波。该调幅信号经高频放大、检波、滤波后输出与被测量相应变化的直流电压信号。传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图3-15 CZF1型电涡流传感器测量电路框图 传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器四、电涡流传感器应用举例四、电涡流传感器应用举例 电涡流传感器可无接触地测量金属板厚度和非金属板的镀层厚度，当金属板的厚度变化时，传感器与金属板间距离改变，从而引起输出电压的变化。为了避免工作过程中金属板的上下波动，常用比较的方法测量，在板的上下各安装一个电涡流传感器，其距离为D，而它们与板的上下表面分别相距为dl和d2，这样板厚h为：h=D-（d1d2）传感器与检测技术传感器与检测技术 第三章第三章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器(a)(b)图3-16 板厚度检测 当两个传感器在工作时分别测得dl和d2，转换成电压值后送加法器，相加后的电压值再与两传感器间距离D相应的设定电压相减，则就得到与板厚相对应的电压值。