变磁阻式传感器1.ppt

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1、 传感技术与智能仪器传感技术与智能仪器Sensing Technology and Intelligent Instrument 朱启兵朱启兵2/36传感技术与智能仪器传感技术与智能仪器第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器一、概述一、概述二、自感式传感器二、自感式传感器三、互感式传感器三、互感式传感器四、电涡流式传感器四、电涡流式传感器3/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器一、概述一、概述按转化机理的不同按转化机理的不同利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从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测量。而导致线圈电感量改变这一物

2、理现象来实现测量。电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L L L互感系数互感系数互感系数互感系数MMMM测量测量测量测量电路电路电路电路 U U U U、I I I I、f f f f电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器自感式电感传感器自感式电感传感器自感式电感传感器自感式电感传感器互感式电感传感器互感式电感传感器互感式电感传感器互感式电感传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。4/36第第3章变

3、磁阻式传感器章变磁阻式传感器二、自感式传感器二、自感式传感器按磁路几何参数变化形式：变间隙型、变面积型和螺管型。按磁路几何参数变化形式：变间隙型、变面积型和螺管型。按组成方式：按组成方式：单一型单一型 、差动型差动型 5/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器二、自感式传感器二、自感式传感器（1）变间隙式）变间隙式（2）变面积式）变面积式特点：非线性，特点：非线性，灵敏度随气隙增加灵敏度随气隙增加而减小，而减小，6/36（3）螺管型电感式传感器）螺管型电感式传感器第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器设线圈长度为设线圈长度为l、线圈的平均半径为线圈的平均半径为r、线线圈的匝数为圈的匝数为N

4、、衔铁进入线圈的长度衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的与衔铁进入线圈的长度长度la的关系可表示为的关系可表示为 7/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（4）差动型电感式传感器）差动型电感式传感器 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动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。8/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器变气隙式差动型电感式传感

5、器性能改善变气隙式差动型电感式传感器性能改善9/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（5）自感式传感器测量电路）自感式传感器测量电路（a)等效电路等效电路实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻R RC C ；铁芯的涡流损耗电阻；铁芯的涡流损耗电阻R Re e ；由于线圈和测量设备电缆的接入，存；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C C表示。表示。ZCLRcRe10/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（5）自感式传感器测量电路）自感

6、式传感器测量电路（b)交流电桥交流电桥ZLR1R2Z2Z1电阻平衡臂交流电桥电阻平衡臂交流电桥差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（臂（Z Z1 1、Z Z2 2为两个差动传感器线圈的复阻抗）为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻，另两个桥臂用平衡电阻R R1 1、R R2 2代替代替。设初始时设初始时 Z Z1 1=Z Z2 2=Z Z=R RS S+jLjL；R R1 1=R R2 2=R R；L L1 1=L L2 2=L L0 0。电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出电压与电压与电压与电压与 有关，相位与衔铁移动方向有关有关，相位与衔

7、铁移动方向有关有关，相位与衔铁移动方向有关有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流。由于是交流。由于是交流。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。移的大小及方向。移的大小及方向。移的大小及方向。11/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（5）自感式传感器测量电路）自感式传感器测量电路（b)交流电桥交流电桥L/L/mHmH12/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（5

8、）自感式传感器测量电路）自感式传感器测量电路（b)交流电桥交流电桥平衡臂为变压器的两个二次侧绕组平衡臂为变压器的两个二次侧绕组若线圈的若线圈的Q Q值很高，损耗电阻可忽略，则值很高，损耗电阻可忽略，则 两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决 13/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（5）自感式传感器测量电路）自感式传感器测量电路（c)相敏检波电桥相敏检波电桥14/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器（6）自感式传感器误差）自感式传感器误差非线性误差非线性误差，解决办法：差动结构与限制测量范围

9、，解决办法：差动结构与限制测量范围当当差差动动自自感感式式传传感感器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置时时，理理想想条条件件下下其其输输出出电电压压为为零零。但但实实际际上上，在在零零点点仍仍有有一一个个微微小小的的电电压压值值(称称为为零零点点残残余余电电压压。零零点点残残余余电电压压的的存存在在造造成成零零点点附附近近的的不不灵灵敏敏区区；零零点点残残余余电电压压输输入入放放大大器器内内会会使使放放大大器器末末级级趋趋向向饱饱和和，影影响响电电路路正正常常工作等。工作等。零点残余电压（零位误差零点残余电压（零位误差）E2E2E0 x0.15/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器残

10、余电压（零位误差）残余电压（零位误差）基波分量基波分量次次级级绕绕组组不不一一致致 等等效效电电路路参参数数（互互感感M M、自自感感L L及及损损耗耗电电阻阻R R）不同）不同 次级绕组的感应电动势数值不等。次级绕组的感应电动势数值不等。初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不均均匀匀，线线圈圈匝匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。高次谐波高次谐波高次谐波分量主要由高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗。由于磁滞损耗和铁磁

11、饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。再有就是电压中有高次谐波成分。再有就是电磁干扰电磁干扰 产生原因产生原因?16/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器解决办法？解决办法？从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结

12、构对称性为为保保证证线线圈圈和和磁磁路路的的对对称称性性，首首先先，要要求求提提高高加加工工精精度度，线线圈圈选选配配成成对对，采采用用磁磁路路可可调调节节结结构构。其其次次，应应选选高高磁磁导导率率、低低矫矫顽顽力力、低低剩剩磁磁感感应应的的导导磁磁材材料料。并并应应经经过过热热处处理理，消消除除残残余余应应力力，以以提提高高磁磁性性能能的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性。由由高高次次谐谐波波产产生生的的因因素素可可知知，磁磁路路工工作作点点应应选选在在磁磁化曲线的线性段。化曲线的线性段。选选用合适的测量线路用合适的测量线路 采用补偿线路采用补偿线路17/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传

13、感器环境温度对自感传感器的影响主要通过：环境温度对自感传感器的影响主要通过：材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化；材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化；材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化；材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化；磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的并采用差动电桥可以减少温度的

14、影响影响 环境温度的影响环境温度的影响激励电压幅值与频率的影响激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，会导致品质系数的改变，只要适接影响输出电势。而频率的波动，会导致品质系数的改变，只要适当地选择频率，其影响不大。当地选择频率，其影响不大。18/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器1.工作原理与结构(二)互感式传感器互感式传感器是将被测量的物理量 (如：力、位移等)转换成互感系数的传感器基本原理、结构与常用变压器类似 亦称为变压器式传感器 19/36第第3章变

15、磁阻式传感器章变磁阻式传感器1.工作原理与结构线圈1为原边线圈线圈2为副边线圈由变压器原理可知：当原边通过交变电流 i1时 在磁通全回路上的磁通存在交变变化 在副边上可感生的感应电势E21为：式中：E21副边感应电势向量；I1原边交变电流向量；工作交变电流角频率；M 互感系数。互感式传感器的基本原理结构互感式传感器的基本原理结构20/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器在原边线圈上还存在自感L1，故：式中：E1 原边交变电势相量；R1 原边线圈的电阻。表明：若原边所施加的电势E1、工作频率、原边线圈参数等确定 副边感生电势E21是互感系数 M 的单值函数 21/36第第3章变磁阻式传感器

16、章变磁阻式传感器互感系数 M 反映了两线圈的耦合程度 它是原边与副边线圈匝数、长度、相互位置以及磁路磁阻等因素的函数任一参数变化均可改变互感 M，从而改变感应电势 E21 测量感应电势 E21 的变化，就可以测量各参数的变化互感式传感器可以直接导出电压输出，可方便测量 次级线圈采用单线圈具有一个明显的缺点，即：被测物理量无变化，次级线圈仍有感应电势为了维持零位参数输出为零，需在后续电路中给予补偿或抵消解决这一问题的最佳方案是采用差动式结构 即：差动变压器型的电感传感器 22/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器(e)、(f)变面积式差动变压器变面积式差动变压器(a)、(b)变隙式差动变压

17、器变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器23/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器当次级开路时，初级绕组的交流电流为：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：次级绕组的感应电动势为：次级绕组的感应电动势为：由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为其有效值为其有效值为24/36 铁芯处于中间位置时，铁芯处于中间位置时，M M1 1=M M2 2=M M，U U0 0=0=0 铁芯上升时，铁芯上升时，M M1 1=M M+M M，M M2 2=M M-M M 铁芯下降时，铁芯下降时，M M1 1=M M-M M，M M2

18、 2=M M+M M第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器e21e22差动变压器输出电差动变压器输出电势势与衔铁位移与衔铁位移x x的关系。其中的关系。其中x x表表示衔铁偏离中心位示衔铁偏离中心位置的距离。置的距离。0 x差动变压器输出特性差动变压器输出特性25/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器3.差动变压器测量电路差动变压器测量电路两个目的：n辨别移动方向n消除零点残余电压两种方法：n差动整流电路n相敏检波电路26/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器3.差动变压器测量电路差动变压器测量电路第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器差动整流电路差动整流电路3.差动变压器测量电路

19、差动变压器测量电路电阻电阻R1上的电流总是从上的电流总是从c到到d R2上的电流总是从上的电流总是从g到到h27/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器二级管相敏检波电路二级管相敏检波电路3.差动变压器测量电路差动变压器测量电路28/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器差动变压器互感传感元件的性能及改善由右图特性曲线可见：差动变压器在一定范围内工作具有较好的线性，但超过此范围，线性度迅速恶化改善这一性能的关键 扩大使磁场均匀的范围(1)线性工作段线性工作段29/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器2.差动变压器互感传感元件的性能及改善灵敏度是指衔铁移动单位位移时所产生的输出电势

20、变化(mV/mm)使用中取单位激励电压、单位位移所产生的输出电势变化(mV/mmV)选定结构参数，由上式可见：初级电压E1愈高，则输出E2愈大，提高初级电压可以提高灵敏度 但初级电压过大会引起变压器线圈发热，造成输出信号漂移激励电源频率影响：激励电源频率过低LR1，E2-j(e1/R1)2M，灵敏度随变化 当增加使LR1，则E2-j(E1/L1)M，灵敏度与无关 当过大时，导线的集肤效应使有效阻值增加，高频时的涡流损耗和磁滞损耗均增加，从而使输出值减小，降低了灵敏度 工作时应选取合适的激励频率工作时应选取合适的激励频率(2)灵敏度灵敏度30/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应

21、用位移与尺寸测量位移与尺寸测量压力测量压力测量力和力矩测量力和力矩测量振动测量振动测量(5)其它应用其它应用31/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用32/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用33/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用34/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用35/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用36/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用37/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器四、电涡流式传感器四、电涡流式传感器电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器

22、。电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。用于无损探伤。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强，特别是有非接触测量的优点，能力强，特别是有非接触测量的优点，1.工作原理工作原理涡流效应：涡流效应：当通过当通过金属体金属体的的磁通变化磁通

23、变化时，就时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应称为涡流效应38/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器短路环短路环这一等效阻抗由虚、实两部分组成：实部，即：等效电阻部分与无次级边时相比有所增大 虚部，即：等效电感部分较之空载时趋于减少增加和减小的程度取决于次级线圈的电阻，电感、激励电流频率和两线圈之间的互感系

24、数这些参数取决于次级线圈，即：被测金属材料的电阻率、导磁率和初次级线圈间的距离等参数总等效阻抗是以上各参数的函数，即：39/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器2.结构类型结构类型电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也

25、越高。的灵敏度也越高。为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的要求被测体的半径应大于线圈半径的1.81.8倍，否则灵敏度倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的圈直径的3.53.5倍以上，灵敏度才不受影响。倍以上，灵敏度才不受影响。1）高频反射式）高频反射式40/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器2）低频透射式电涡流传感器）低频透射式电涡流传感器41/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器3.测量电路测量电路1

26、）电桥电路）电桥电路电桥法是将传感器线圈的阻抗电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。变化转化为电压或电流的变化。图中线圈图中线圈A A和和B B为传感器线圈。为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。可得到与被测量成正比的输出。主要用于两个电涡流线圈组成主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。的差动式传感器。42/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器2）谐振法）谐振法43/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用44/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用45/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用46/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用47/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用48/36第第3章变磁阻式传感器章变磁阻式传感器4.应用应用