傳感器技術第5講變磁阻式傳感器ppt課件

1、傳感器技術傳感器技術第第5講講 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 主講教師主講教師: :劉遙生劉遙生聯(lián)系電話聯(lián)系電話13662686339第第5課課 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 內(nèi)容：一、電感式傳感器內(nèi)容：一、電感式傳感器 二、變壓器式傳感器二、變壓器式傳感器 三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器 目的：目的：1 1、了解變磁阻式傳感器的基本工作原、了解變磁阻式傳感器的基本工作原理；理； 2 2、掌握變磁阻式傳感器的基、掌握變磁阻式傳感器的基本結構和應用技術。本結構和應用技術。什么是變磁阻式傳感器什么是變磁阻式傳感器 ? 利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電利用線圈電感或

2、互感的改變來實現(xiàn)非電量測量的傳感器稱變磁阻式傳感器。量測量的傳感器稱變磁阻式傳感器。 變磁阻式傳感器是一種機電轉換裝置，在自動控變磁阻式傳感器是一種機電轉換裝置，在自動控制系統(tǒng)中應用十分廣泛，是非電量測量的重要傳感器制系統(tǒng)中應用十分廣泛，是非電量測量的重要傳感器之一。之一。與其它傳感相比較有如下特點：與其它傳感相比較有如下特點：1 1、結構簡單，壽命長。、結構簡單，壽命長。2 2、靈敏度和分辯率高。能測出、靈敏度和分辯率高。能測出0.01m 0.01m 的機械位移量。輸出信的機械位移量。輸出信號強。號強。3 3、重復性好，線性度優(yōu)良。、重復性好，線性度優(yōu)良。第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器

3、 內(nèi)容：內(nèi)容：一、電感式傳感器主要用途和結構一、電感式傳感器主要用途和結構 二、電感式傳感器的簡單工作原理二、電感式傳感器的簡單工作原理 三、電感式傳感器的基本類型三、電感式傳感器的基本類型四、測量電路四、測量電路 第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器 一、電感式傳感器主要用途和結構一、電感式傳感器主要用途和結構 鐵芯銜鐵線圈電感式傳感器電感式傳感器 1、用途、用途 電感式傳感器主要用于測量位移、壓力、力、電感式傳感器主要用于測量位移、壓力、力、振動和加速度。振動和加速度。2 2、構造、構造線圈、鐵芯、銜鐵線圈、鐵芯、銜鐵第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器 二、工作原理二、工作原理 傳感器運

4、動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚傳感器運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要測出這種電感量的變化，就能確定電感值變化，因此只要測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式計算：根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式計算： L=/式中式中線圈的匝數(shù)；線圈的匝數(shù)； 穿過線圈的磁通，穿過線圈的磁通，=I/Rm Rm=2/0S0 通過線圈的電流通過線圈的電流當氣隙磁阻遠大于鐵芯和當氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻時

5、，可近似為銜鐵的磁阻時，可近似為:(0空氣的導磁率空氣的導磁率)2002sL 鐵芯銜鐵線圈S0第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器 二、工作原理二、工作原理 上式表示，當線圈匝數(shù)為常數(shù)上式表示，當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感時，電感L僅僅是磁路中磁阻僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，只要改變的函數(shù)，只要改變或或S0均均可導致電感變化，因止電感式可導致電感變化，因止電感式傳感器又可分為變氣隙厚度傳感器又可分為變氣隙厚度的的傳感器和變氣隙面積傳感器和變氣隙面積S0的傳感的傳感器器2002sL 鐵芯銜鐵線圈S0第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器 三、電感式傳感器的類型三、電感式傳感器的類型 鐵芯銜鐵線圈S0單

6、線圈式傳感器鐵芯銜鐵線圈S012差動變隙式電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器 四、測量電路四、測量電路 鐵芯銜鐵線圈S012差動變隙式電感式傳感器Z2Z1Z2Z1Z3=RU0Z4=RUAC交流電橋測量電路011022LLUZZUUACACL0銜鐵在中間位置時單個線圈的電感,，L兩線圈電感的差量第一節(jié)電感式傳感器第一節(jié)電感式傳感器 四、測量電路四、測量電路 鐵芯銜鐵線圈S012差動變隙式電感式傳感器Z2Z1UIUI/2UI/2Z1Z2Uo變壓器式交流電橋第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 內(nèi)容：一、結構及原理內(nèi)容：一、結構及原理 二、基本特性二、基本特性 三、測量電

7、路三、測量電路第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 一、結構及原理一、結構及原理1、什么叫差動變壓器式傳感器？、什么叫差動變壓器式傳感器？ 把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的傳感器稱把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組都用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳的，并且次級繞組都用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。感器。1 1變隙式變隙式2 2變面積式變面積式3 3螺線管式螺線管式2 2、類型、類型活動銜鐵活動銜鐵導磁外殼導磁外殼骨架骨架次級繞組次

8、級繞組初級繞組初級繞組次級繞組次級繞組圖圖-3 -3 螺線管差變壓器結構圖螺線管差變壓器結構圖第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 一、結構及原理螺旋管式）一、結構及原理螺旋管式）第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 一、結構及原理螺旋管式）一、結構及原理螺旋管式）圖圖-6 -6 三節(jié)式三節(jié)式圖圖-4 -4 一節(jié)式一節(jié)式圖圖-5 -5 二節(jié)式二節(jié)式圖圖-7 -7 四節(jié)式四節(jié)式第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 一、結構及原理螺旋管式）一、結構及原理螺旋管式）圖圖-8 -8 五節(jié)式五節(jié)式第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 一、結構及原理

9、螺旋管式）一、結構及原理螺旋管式）圖圖-3 -3 螺線管差變壓器結構圖螺線管差變壓器結構圖次級繞組次級繞組初級繞組初級繞組次級繞組次級繞組第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 一、結構及原理螺旋管式）一、結構及原理螺旋管式）次級繞組次級繞組次級繞組次級繞組圖圖-3 -3 螺線管差變壓器結構圖螺線管差變壓器結構圖初級繞組初級繞組第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 二、測量電路螺旋管式）二、測量電路螺旋管式）0UU00U直接利用測量信號只能識別移動大小，但不能識別方向第二節(jié)第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 二、測量電路螺旋管式）二、測量電路螺旋管式）第二節(jié)

10、第二節(jié) 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 二、測量電路螺旋管式）二、測量電路螺旋管式）第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 二、結構類型二、結構類型 三、測量電路三、測量電路第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 1、何謂電渦流式傳感器、何謂電渦流式傳感器 ？ 運用電渦流效應構成的某參數(shù)測量裝置運用電渦流效應構成的某參數(shù)測量裝置稱電渦流式傳感器。稱電渦流式傳感器。 第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 2、什么是電

11、渦流效應、什么是電渦流效應? 當線圈通一交變電流時，線圈當線圈通一交變電流時，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 2、什么是電渦流效應、什么是電渦流效應? 如果把一塊導體放在變化著的磁如果把一塊導體放在變化著的磁場中或相對于磁場力時，由于導體內(nèi)場中或相對于磁場力時，由于導體內(nèi)部可構成閉合回路，穿過回路的磁通部可構成閉合回路，穿過回路的磁通發(fā)生變化，因此在導體中也會產(chǎn)生感發(fā)生變化，因此在導體中也會產(chǎn)生感應電流，這些電流在導體內(nèi)自行閉合應電流，這些電流在導體內(nèi)自行閉合成漩渦狀，故稱為

12、電渦流，筒稱渦流。成漩渦狀，故稱為電渦流，筒稱渦流。該渦流產(chǎn)生的磁場該渦流產(chǎn)生的磁場H2與與H1方向相反，方向相反，力圖削弱原磁場力圖削弱原磁場H1，從而導致線圈的，從而導致線圈的電感量電感量L、阻抗、阻抗Z和品質因數(shù)和品質因數(shù)Q發(fā)生變發(fā)生變化，這就是電渦流效應。化，這就是電渦流效應。H1H2第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 圖圖15高頻反式電渦流傳感器原高頻反式電渦流傳感器原理理一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 有一通交變電流有一通交變電流I1I1的傳感器的傳感器線圈，由于電流線圈，由于電流I1I1的存在，線圈的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場周圍就產(chǎn)生一個交變

13、磁場H1H1。若。若被測導體置于該磁場范圍內(nèi)，導被測導體置于該磁場范圍內(nèi)，導體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流I2I2，I2I2也將產(chǎn)也將產(chǎn)生一個新磁場生一個新磁場H2H2；H2H2與與H1H1方向相方向相反，力圖削弱原磁場反，力圖削弱原磁場H1H1，從而導，從而導致線圈的電感量致線圈的電感量L L、阻抗、阻抗Z Z和品質和品質因數(shù)因數(shù)Q Q發(fā)生變化。發(fā)生變化。第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 圖圖15高頻反式電渦流傳感器原高頻反式電渦流傳感器原理理一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 影響參數(shù)的變化因數(shù)：影響參數(shù)的變化因數(shù)： （取決于導體的）（取決于導體的）1幾何形狀

14、幾何形狀2電導率電導率4線圈的幾何參數(shù)線圈的幾何參數(shù)5電流的頻率電流的頻率f6線圈到被測導體間的距離線圈到被測導體間的距離x3磁導率磁導率 控制上述參數(shù)中的任一參數(shù)改變，余控制上述參數(shù)中的任一參數(shù)改變，余者皆不變，就能構成測量該參數(shù)的傳感者皆不變，就能構成測量該參數(shù)的傳感器。器。 xfZ.第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 圖圖15高頻反式電渦流高頻反式電渦流傳感器原理傳感器原理一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理

15、（4-35）（4-36）（4-37）第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器工作原理一、電渦流式傳感器工作原理 由式由式4-354-35）（）（4-374-37可知，線圈金屬導體可知，線圈金屬導體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系系統(tǒng)的阻抗、電感和品質因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)L L又是距離又是距離X X的非線性的非線性函數(shù)，因此當構成電渦流式位移傳感器時，函數(shù)，因此當構成電渦流式位移傳感器時，z=f1(x)z=f1(x)、L=f2(x)L=f2(x)、Q=f3(x)Q=f3(x)都是非線性函數(shù)。但都是非線性函數(shù)。但在一定

16、范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性在一定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來表示，于是在該范圍內(nèi)通過測量函數(shù)來表示，于是在該范圍內(nèi)通過測量z z、L L或或Q Q的的變化就可以線性地獲得位移的變化。變化就可以線性地獲得位移的變化。第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 1 1高頻反射式高頻反射式2 2變面積式變面積式3 3螺旋式螺旋式4 4低頻透射式低頻透射式類類 型型4種）種）第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 1高頻反射式高頻反射式 由一個扁平線圈固定在框

17、架由一個扁平線圈固定在框架上構成。線圈用高強度漆包銅線上構成。線圈用高強度漆包銅線或銀線繞制或銀線繞制(高溫使用時可采用錸高溫使用時可采用錸鎢合金線鎢合金線)，用粘結劑粘在框架端，用粘結劑粘在框架端部或繞制在框架槽內(nèi)。部或繞制在框架槽內(nèi)。 線線圈圈框框架架框框架架襯襯套套支支座座插插頭頭電電纜纜電渦流傳感器的結構電渦流傳感器的結構第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 1高頻反射式高頻反射式 分析表明，這種傳感器分析表明，這種傳感器線圈外徑大時，線圈的磁場線圈外徑大時，線圈的磁場軸向分布范圍大，線圈外徑軸向分布范圍大，線圈外徑小時則

18、相反小時則相反 。 線圈軸向磁感應強度與軸向距離的關系線圈軸向磁感應強度與軸向距離的關系第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 1高頻反射式高頻反射式 需要指出由于電渦流傳感器是利用線圈與被測導體之需要指出由于電渦流傳感器是利用線圈與被測導體之間的電磁耦合進行工作的，被測導體作為間的電磁耦合進行工作的，被測導體作為“實際傳感器實際傳感器的一部分，其材料的物理性質、尺寸與形狀都與傳感器特的一部分，其材料的物理性質、尺寸與形狀都與傳感器特性密切相關。因此有必要對被測體進行討論。性密切相關。因此有必要對被測體進行討論。 1、被測導體的電導

19、率、磁導率對傳感器的靈敏度有影響。、被測導體的電導率、磁導率對傳感器的靈敏度有影響。 2、被測體表面有鍍層，鍍層的性質和厚度不均勻也將影響測量、被測體表面有鍍層，鍍層的性質和厚度不均勻也將影響測量精度。精度。 3、被測體的大小和形狀也與靈敏度密切相關。、被測體的大小和形狀也與靈敏度密切相關。 4、對被測體厚度也有一定要求。、對被測體厚度也有一定要求。 第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 2 2變面積式變面積式 這種傳感器是利用這種傳感器是利用被測導體與傳感器線圈之被測導體與傳感器線圈之間相對覆蓋面積的變化引間相對覆蓋面積的變化引

20、起渦流效應的變化來測量起渦流效應的變化來測量位移的。測量的線性范圍位移的。測量的線性范圍比高頻反射式大，且線性比高頻反射式大，且線性度提高。度提高。被測圓筒被測圓筒X第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 3 3螺旋式螺旋式 由銅由銅(或銀或銀)制短路套筒和螺管線圈組成，短路套筒能沿螺管制短路套筒和螺管線圈組成，短路套筒能沿螺管線圈軸向移動。這種傳感器與螺管式電感傳感器相似，但不存在線圈軸向移動。這種傳感器與螺管式電感傳感器相似，但不存在鐵損；線性范圍寬，但靈敏度較低。為此，常用差動結構，且取鐵損；線性范圍寬，但靈敏度較低。為此，常

21、用差動結構，且取短路套筒長為線圈長的短路套筒長為線圈長的60左右。左右。 螺管線圈螺管線圈 螺管線圈螺管線圈 短路套筒短路套筒 第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型 4 4低頻透射式低頻透射式 這種類型與前三種的主要這種類型與前三種的主要不同在于它采用低頻激勵，貫不同在于它采用低頻激勵，貫穿深度大，適用測量厚度。穿深度大，適用測量厚度。 組成：發(fā)射線圈組成：發(fā)射線圈L、接收線圈、接收線圈L2組成組成 發(fā)射線圈發(fā)射線圈接收線圈接收線圈第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器的結構類型二、電渦流式傳感器的結構類型

22、 4 4低頻透射式低頻透射式原理：當?shù)皖l激勵電壓原理：當?shù)皖l激勵電壓U1加到加到L1的兩端時，將在的兩端時，將在L2的兩端產(chǎn)生感應的兩端產(chǎn)生感應電壓電壓U2。若兩線圈之間無金屬導體，。若兩線圈之間無金屬導體，L1的磁場就能直接貫穿的磁場就能直接貫穿L2，這時，這時U2最大。當有金屬板后，其產(chǎn)生的最大。當有金屬板后，其產(chǎn)生的渦流，削弱了渦流，削弱了L1的磁場，造成的磁場，造成U2下降。金屬板越厚，渦流損耗大，下降。金屬板越厚，渦流損耗大，U2就越小。因此可利用就越小。因此可利用U2的大小的大小來反映金屬板的厚度。來反映金屬板的厚度。發(fā)射線圈發(fā)射線圈接收線圈接收線圈第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦

23、流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 針對被測變量可以轉換為線圈電感針對被測變量可以轉換為線圈電感L、阻抗、阻抗Z或品質因數(shù)或品質因數(shù)Q值的三種參數(shù)的變化，測量電路也有值的三種參數(shù)的變化，測量電路也有三種。三種。2、電橋電路、電橋電路3、Q值測試電路。值測試電路。 （Q值測試電路較少采用）值測試電路較少采用） 1、諧振電路、諧振電路 第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 1、諧振電路、諧振電路 （1定頻調幅式定頻調幅式（2變頻調幅式變頻調幅式（3調頻式。調頻式。 第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 1、諧振電路、諧振電路 （1定

24、頻調幅式定頻調幅式第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 1、諧振電路、諧振電路 （1定頻調幅式定頻調幅式第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 1、諧振電路、諧振電路 （2變頻調幅式變頻調幅式第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 1、諧振電路、諧振電路 （2變頻調幅式變頻調幅式第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 三、測量電路三、測量電路 1、諧振電路、諧振電路 （3調頻式調頻式第四節(jié)第四節(jié) 變磁阻式傳感器的應用變磁阻式傳感器的應用 一、電感式傳感器的應用一、電感式傳感器的應用 第四節(jié)第四節(jié) 變

25、磁阻式傳感器的應用變磁阻式傳感器的應用 二、差動變壓器式傳感器的應用二、差動變壓器式傳感器的應用 1測量振動和加速度測量振動和加速度 差動變壓器式加速度傳感器的結構示意圖差動變壓器式加速度傳感器的結構示意圖 第四節(jié)第四節(jié) 變磁阻式傳感器的應用變磁阻式傳感器的應用 二、差動變壓器式傳感器的應用二、差動變壓器式傳感器的應用 2測量大型構件的應力和位移測量大型構件的應力和位移 差動變壓器式傳感器測量應力和位移原理圖差動變壓器式傳感器測量應力和位移原理圖 第四節(jié)第四節(jié) 變磁阻式傳感器的應用變磁阻式傳感器的應用 三、電渦流式傳感器的應用三、電渦流式傳感器的應用1測量位移測量位移 液位監(jiān)控系統(tǒng)液位監(jiān)控系統(tǒng) 渦流板渦流板 傳感器傳感器 浮子浮子 第四節(jié)第四節(jié) 變磁阻式傳感器的應用變磁阻式傳感器的應用 三、電渦流式傳感器的應用三、電渦流式傳感器的應用 2測量