第03章-變磁阻式傳感器課件

1、13.1 磁路基礎(chǔ)磁路基礎(chǔ)一、磁動勢一、磁動勢 (magnetomotive force)磁路：磁路：磁通線的密閉路徑。磁通線的密閉路徑。 磁動勢：磁動勢：在磁路中產(chǎn)生磁場的源頭稱為。定義為在磁路中產(chǎn)生磁場的源頭稱為。定義為 WIFm橫截面S磁通2二、磁阻二、磁阻(magnetic resistance)(magnetic resistance)磁阻磁阻是表示磁路對磁通所起的阻礙作用。是表示磁路對磁通所起的阻礙作用。mmRF橫截面S磁通3.1 磁路基礎(chǔ)磁路基礎(chǔ)3三、磁通、磁阻、磁動勢三、磁通、磁阻、磁動勢1、磁通連續(xù)原理、磁通連續(xù)原理2 2、環(huán)路定理：取環(huán)路、環(huán)路定理：取環(huán)路L，有，有 氣鐵B

2、S氣鐵BBLWIdlHWIHlH氣鐵HBr0mrFBlB00氣鐵rmlFB0BS氣鐵RRFSSlFmrm003.1 磁路基礎(chǔ)磁路基礎(chǔ)4四、磁阻的一般方程四、磁阻的一般方程SlSlRrm0000114321222RRRRRm3.1 磁路基礎(chǔ)磁路基礎(chǔ)5五、帶鐵芯線圈（鐵芯相對五、帶鐵芯線圈（鐵芯相對磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 r可達可達102104 ）自感：自感：磁鏈與回路電流的比值磁鏈與回路電流的比值L與與l 成非線性關(guān)系成非線性關(guān)系。AUI123mRWIWIL2SlSlRrm002rllSWL023.1 磁路基礎(chǔ)磁路基礎(chǔ)6變磁阻式傳感器簡介變磁阻式傳感器簡介變磁阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成電感或互感變化的傳感

3、器。變磁阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成電感或互感變化的傳感器。按其轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為按其轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感型自感型互感型互感型變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器應(yīng)用很廣應(yīng)用很廣測量測量: 力、力矩、壓力、位移、速度、振動等參數(shù)力、力矩、壓力、位移、速度、振動等參數(shù)動態(tài)特性動態(tài)特性：靜態(tài)測量或動態(tài)測量。：靜態(tài)測量或動態(tài)測量。優(yōu)點：優(yōu)點： 輸出功率大（輸出功率大（1vA5vA），不經(jīng)放大而直接指示和記錄。），不經(jīng)放大而直接指示和記錄。 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，可在工業(yè)頻率下穩(wěn)定工作。結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，可在工業(yè)頻率下穩(wěn)定工作。73.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器一、工作原理與輸出特性一、工作原

4、理與輸出特性 自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。按磁路自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有三種幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有三種 變氣隙式變氣隙式 變面積式變面積式 螺管式螺管式按磁路的結(jié)構(gòu)型式又有按磁路的結(jié)構(gòu)型式又有型、型、E型、罐型、罐型等等；型等等；按組成方式分，有按組成方式分，有單一式單一式與與差動式差動式兩種。兩種。83.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器1、變氣隙式自感傳感器、變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理見下圖。由于氣隙通常較變氣隙式自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理見下圖。由于氣隙通常較小

5、，可以認為氣隙磁場是均勻的小，可以認為氣隙磁場是均勻的非線性明顯非線性明顯靈敏度靈敏度l小小靈敏度高靈敏度高受工藝和結(jié)構(gòu)限制，并保證一定的受工藝和結(jié)構(gòu)限制，并保證一定的測量范圍與線性度，測量范圍與線性度，常取常取l/20.10.5， (1/51/10)。rellKlSWL/102SWK20rllLdldLK/193.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器2、變面積式自感傳感器、變面積式自感傳感器l不變，磁通截面積不變，磁通截面積S隨被測非電量而變（銜鐵水平方向移動）隨被測非電量而變（銜鐵水平方向移動）靈敏度靈敏度 為常數(shù)。為常數(shù)。忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)輸出特性為線性輸出特性為線

6、性大線性范圍大線性范圍。靈敏度低于靈敏度低于變氣隙式。變氣隙式。欲提高靈敏度，需減小欲提高靈敏度，需減小l，SKSllWLr/02rllWK/02103.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器3、螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 由平均半徑為由平均半徑為r r的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。從而使線圈的電感發(fā)生變化。 113.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器4、差動式自感傳感器差動式自感傳感器 由兩單一式結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式

7、自感傳感器。由兩單一式結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器。改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動及改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。123.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器二、二、測量電路測量電路1.1. 電橋電路電橋電路 2.2. 諧振電路諧振電路 3.3. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 4.4. 相敏檢波電路相敏檢波電路 133.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器1.1.電橋電路電橋電路 自感式傳感器常用的交流電橋有自感式傳感器常用的交流電橋有2 2種：種

8、：（1 1）輸出端對稱電橋輸出端對稱電橋 (a)(a)為為一般形式一般形式。Z Z1 1、Z Z2 2為傳感器兩線圈阻抗為傳感器兩線圈阻抗 。(b)(b)是是(a)(a)的變型，稱為的變型，稱為變壓器電橋變壓器電橋。它以變壓器兩個次級作。它以變壓器兩個次級作為電橋平衡臂。使用元件少，輸出阻抗小，電橋開路時電路為電橋平衡臂。使用元件少，輸出阻抗小，電橋開路時電路呈線性，因此呈線性，因此應(yīng)用較廣應(yīng)用較廣。 圖圖3.6 3.6 輸出端對稱電橋輸出端對稱電橋 ( () )一般形式；一般形式；( () )變壓器電橋變壓器電橋 14（2 2）電源端對稱電）電源端對稱電橋橋變壓器次級接地變壓器次級接地避免靜

9、電感應(yīng)干擾避免靜電感應(yīng)干擾，開路時電橋本身存在開路時電橋本身存在非線性非線性，只用于，只用于示值范圍較小場合示值范圍較小場合。 3.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器圖圖3.73.7 電源端對稱電橋電源端對稱電橋 153.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器2.2.諧振電路諧振電路1)1) 線圈電感量變化線圈電感量變化諧振曲線移動。諧振曲線移動。2)2) 若激勵源的頻率為若激勵源的頻率為f ,f ,則其工作點在同一頻率的直線上移則其工作點在同一頻率的直線上移動，例如動，例如A A點移至點移至B B點，輸出電壓的幅值就發(fā)生相應(yīng)變化。點，輸出電壓的幅值就發(fā)生相應(yīng)變化。3)3) 特點：靈敏度高，非

10、線性嚴重。特點：靈敏度高，非線性嚴重。常與單線圈自感式傳感器配合，常與單線圈自感式傳感器配合，用于測量范圍小或線性度要求不高的場合。用于測量范圍小或線性度要求不高的場合。 圖圖3.83.8 ( () )諧振電路諧振電路 ( () )諧振曲線諧振曲線 163.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器3.3.調(diào)頻電路調(diào)頻電路 當(dāng)傳感器線圈電感當(dāng)傳感器線圈電感L L發(fā)生變化時，調(diào)頻振蕩器的輸出頻發(fā)生變化時，調(diào)頻振蕩器的輸出頻率相應(yīng)變化。利用階梯形無骨架線圈，可使銜鐵的位移變化率相應(yīng)變化。利用階梯形無骨架線圈，可使銜鐵的位移變化與輸出頻差變化呈線性關(guān)系。與輸出頻差變化呈線性關(guān)系。 由于輸出為由于輸出為頻率

11、信號頻率信號，這種電路的，這種電路的抗干擾能力很強抗干擾能力很強，電，電纜長度可達纜長度可達1km1km，特別適合于野外現(xiàn)場使用。，特別適合于野外現(xiàn)場使用。圖圖3.103.10 電感調(diào)頻式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖電感調(diào)頻式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖 1 1諧振電容；諧振電容；2 2調(diào)頻振蕩器；調(diào)頻振蕩器；3 3電感線圈；電感線圈；4 4磁性套筒；磁性套筒；5 5導(dǎo)桿導(dǎo)桿( (銜鐵銜鐵) )173.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器4.4.相敏檢波電路相敏檢波電路能夠判別電橋失衡的方向，能夠判別電橋失衡的方向，用于判別被測量正負方向。用于判別被測量正負方向。例例： Z1增大、增大、Z2減小減小 U0: UC U

12、o0 U0: UC Uo018溫度的影響溫度的影響環(huán)境溫度變化環(huán)境溫度變化=自感傳感器的零點漂移、靈敏度漂移以及自感傳感器的零點漂移、靈敏度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。線性度和相位的變化，造成溫度誤差。環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過：環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過：(1)(1)材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化；材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化；(2)(2)材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化；材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化；(3)(3)磁性材料磁導(dǎo)率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系磁性材料磁導(dǎo)率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈

13、電感量及寄生電容的改變數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。等造成。3.2 3.2 自感式傳感器自感式傳感器193.3 3.3 互感式傳感器互感式傳感器互感式傳感器（互感式傳感器（Liner Variable Differential Transformer ）簡稱LVDT是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為方式工作，因此又稱為差動變壓器差動變壓器。203.3 3.3 互感式傳感器互感式傳感器一、

14、互感式傳感器的基本原理一、互感式傳感器的基本原理在忽略線圈寄生電容與鐵心損耗的情況下，差動變壓器的在忽略線圈寄生電容與鐵心損耗的情況下，差動變壓器的等效電路如圖所示。等效電路如圖所示。U U，I I初級線圈激勵電壓與電流初級線圈激勵電壓與電流( (頻率為頻率為)；L L2121，L L2222和和R R2121，R R2222分別為兩個次級線圈的電感和電阻分別為兩個次級線圈的電感和電阻M M1 1，M M2 2分別為初級與次級線圈分別為初級與次級線圈1 1，2 2間的互感；間的互感； L L1 1，R R1 1初級線圈電感與電阻。初級線圈電感與電阻。開路輸出電壓為兩次級線圈開路輸出電壓為兩次級

15、線圈感應(yīng)電勢之差感應(yīng)電勢之差 IMMjEEUo212221213.3 3.3 互感式傳感器互感式傳感器二、差動變壓器的類型二、差動變壓器的類型有有變氣隙式、變面積式、螺管式變氣隙式、變面積式、螺管式三種類型三種類型 。223.3 3.3 互感式傳感器互感式傳感器三、傳感特性三、傳感特性型差動變壓器的輸出特性為：型差動變壓器的輸出特性為：為初始氣隙；為初始氣隙；W W1 1為初級線圈匝數(shù)；為初級線圈匝數(shù)；W W2 2為次級線圈匝數(shù)；為次級線圈匝數(shù)；為銜鐵上移量為銜鐵上移量。1.1. 輸出電壓輸出電壓U U0 0與銜鐵位移與銜鐵位移成比例成比例，線性線性。2.2. 靈敏度隨靈敏度隨電源電壓電源電壓

16、U U和和變壓比變壓比W W2 2W W1 1的增大而提高，的增大而提高， 隨初始氣隙減小而增大。隨初始氣隙減小而增大。 0210WWUU1200WWUUK23哪個是自感式，哪個是互感式？哪個是自感式，哪個是互感式？1. 靈敏度有何特點？靈敏度有何特點？2. 線性度有何特點？線性度有何特點？24電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器主要用于測量位移與尺寸，也可測量能轉(zhuǎn)換電感式傳感器主要用于測量位移與尺寸，也可測量能轉(zhuǎn)換成位移變化的其他參數(shù)，如力、張力、壓力、壓差、振動、成位移變化的其他參數(shù)，如力、張力、壓力、壓差、振動、應(yīng)變、轉(zhuǎn)矩、流量、比重等。應(yīng)變、轉(zhuǎn)矩、流量、比重等。位移與尺寸

17、測量位移與尺寸測量壓力測量壓力測量力和力矩測量力和力矩測量振動測量振動測量25263.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進行工作的。由于結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進行并能進行非接觸測量非接觸測量，適用范圍廣，它一問世就受到各國，適用范圍廣，它一問世就受到各國的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測量的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測量位移位移 振動振動 厚度厚度轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 溫度溫度 硬度硬度還用于無損探傷領(lǐng)域。還用于無損探傷領(lǐng)域。

18、273.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器一一. .工作原理工作原理 有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場圍就產(chǎn)生一個交變磁場H H1 1。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍內(nèi)，。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個新磁場導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個新磁場H H2 2，H H2 2與與H H1 1方向方向相反，力圖削弱原磁場相反，力圖削弱原磁場H H1 1, ,從而導(dǎo)致線圈的從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、發(fā)生變化

19、。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個參數(shù)改變，余者皆間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測量該參數(shù)的傳感器。不變，就能構(gòu)成測量該參數(shù)的傳感器。 28二二. .測量電路測量電路 根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，其測量電路有三種：根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，其測量電路有三種：1.1. 諧振電路諧振電路2.2. 電橋電路電橋電路3.3. Q Q值測試電路值測試電路這里主要介紹這里主要介紹諧振電路諧振電路。目前有三種類型：。目前有

20、三種類型：1.1. 定頻調(diào)幅式定頻調(diào)幅式2.2. 變頻調(diào)幅式變頻調(diào)幅式3.3. 調(diào)頻式。調(diào)頻式。 3.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器293.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器1.1.定頻調(diào)幅電路定頻調(diào)幅電路 L L為傳感器線圈電感，與電容為傳感器線圈電感，與電容C C組成并聯(lián)諧振回路，晶體組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵信號。振蕩器提供高頻激勵信號。 在無被測導(dǎo)體時在無被測導(dǎo)體時，LCLC并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時回路阻抗最大，回路壓降最大。率一致的諧振狀態(tài)，這時回路阻抗最大，回路壓降最大。 當(dāng)傳感器接近被測導(dǎo)

21、體時，當(dāng)傳感器接近被測導(dǎo)體時，損耗功率增大，回路失諧，輸損耗功率增大，回路失諧，輸出電壓相應(yīng)變小。出電壓相應(yīng)變小。 這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙( (位移位移) )成近成近似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率f f0 0始終恒定，因此稱定頻始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。調(diào)幅式。 圖圖3.273.27 定頻調(diào)幅電路框圖定頻調(diào)幅電路框圖 302.2.變頻調(diào)幅電路變頻調(diào)幅電路 定頻調(diào)幅定頻調(diào)幅電路雖然有很多優(yōu)點，并獲得廣泛應(yīng)用，但線電路雖然有很多優(yōu)點，并獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?/p>

22、線性范圍也不夠?qū)挕?因此，人們又研究了一種因此，人們又研究了一種變頻調(diào)幅變頻調(diào)幅電路，這種電路的基電路，這種電路的基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點式振蕩回路。當(dāng)導(dǎo)本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點式振蕩回路。當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器線圈時，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電體接近傳感器線圈時，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電壓的壓的幅度幅度和和頻率頻率都發(fā)生變化都發(fā)生變化 。除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點 。定頻調(diào)幅定頻調(diào)幅變頻調(diào)幅變頻調(diào)幅313.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器3.3.調(diào)頻電路調(diào)頻電路調(diào)頻

23、電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點式振蕩回路，所不同的是，以振蕩點式振蕩回路，所不同的是，以振蕩頻率的變化頻率的變化作為輸出作為輸出信號。信號。如欲以電壓作為輸出信號，則應(yīng)后接鑒頻器。如欲以電壓作為輸出信號，則應(yīng)后接鑒頻器。這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮倪@種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮沫h(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負載影響三方面考慮。環(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負載影響三方面考慮。 32三三. .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 3.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感

24、器傳感器液位監(jiān)控系統(tǒng)液位監(jiān)控系統(tǒng) 333.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器2.2.測厚度測厚度 板厚板厚d dD D（x x+ +x x2 2）。）。工作時，兩個傳感器分別測得工作時，兩個傳感器分別測得x x1 1和和x x2 2。 測金屬板厚度示意圖測金屬板厚度示意圖 343.3 3.3 電渦流式電渦流式傳感器傳感器3.3.測溫度測溫度在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為 (3-42)(3-42)式中式中 1 1、0 0分別為溫度分別為溫度t t1 1與與t t0 0時的電阻率；時的電阻率； a a在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)

25、。在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)。若保持電渦流式傳感器的若保持電渦流式傳感器的機、電、磁各參數(shù)機、電、磁各參數(shù)不變不變，使傳感器的輸出只隨被測，使傳感器的輸出只隨被測導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率而變而變，就可測得溫度的變化。上述原理可，就可測得溫度的變化。上述原理可用來測量液體、氣體介質(zhì)溫度或金屬材料用來測量液體、氣體介質(zhì)溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫到常溫的測量。的表面溫度，適合于低溫到常溫的測量。 ）（0101t-ta11-1-補償線圈；補償線圈；2-2-管架；管架；3-3-測量線圈；測量線圈；4-4-隔熱襯墊；隔熱襯墊；5-5-溫度敏感元件溫度敏感元件 35感應(yīng)式接近開關(guān)感應(yīng)式接近開關(guān)In

26、ductive Proximity sensors361. A coil on a ferrite core2. An oscillator3. A trigger-signal level detector4. An output circuit. Structure371. Generating an electromagnetic field.2. Metal object advances into the field, eddy currents induced.3. Loss of energy and a smaller amplitude of oscillation4. Th

27、e detector circuit then recognizes a specific change in amplitude and generates a signal which will turn the solid-state output “ON” or “OFF”O(jiān)peration38Application - Positioning39Application - Positioning4041423.5 3.5 壓磁式傳感器壓磁式傳感器一壓磁效應(yīng)一壓磁效應(yīng)1 1、磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)鐵磁材料在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或縮短的現(xiàn)象。鐵磁材料在磁場中磁化時，在磁場方向

28、會伸長或縮短的現(xiàn)象。2 2、磁致伸縮系數(shù)磁致伸縮系數(shù)材料隨磁場強度的增加而伸長或縮短不是無限制的，最終會達材料隨磁場強度的增加而伸長或縮短不是無限制的，最終會達到飽和。各種材料的飽和伸縮比是定值，稱到飽和。各種材料的飽和伸縮比是定值，稱磁致伸縮系數(shù)磁致伸縮系數(shù)，用，用s表示，即表示，即式中式中 伸縮比。伸縮比。 3、物理機制、物理機制 鐵磁材料的這種磁致伸縮，是由于自發(fā)磁化時導(dǎo)致物質(zhì)的鐵磁材料的這種磁致伸縮，是由于自發(fā)磁化時導(dǎo)致物質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)改變，使原子間距發(fā)生變化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。晶格結(jié)構(gòu)改變，使原子間距發(fā)生變化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。 Sll /Sll /433.5 3.5 壓磁式傳感器壓磁式傳感器4、

29、壓磁材料、壓磁材料正磁致伸縮正磁致伸縮 ：在一定的磁場范圍內(nèi)，一些材料在一定的磁場范圍內(nèi)，一些材料( (如如Fe)Fe)的的s 為正值為正值 。負磁致伸縮負磁致伸縮 ： s 為負值為負值 。5、磁彈性能磁彈性能 鐵磁物體被磁化時如果受到限制而不能伸縮，內(nèi)部會產(chǎn)鐵磁物體被磁化時如果受到限制而不能伸縮，內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力生應(yīng)力 。 內(nèi)部應(yīng)力內(nèi)部應(yīng)力必然存在磁彈性能必然存在磁彈性能E。 E與與s成正比，且同磁化方向與應(yīng)力方向之間的夾角有成正比，且同磁化方向與應(yīng)力方向之間的夾角有關(guān)。關(guān)。 由于由于E的存在，將使鐵磁材料的磁化方向發(fā)生變化。的存在，將使鐵磁材料的磁化方向發(fā)生變化。 443.5 3.5 壓磁式

30、傳感器壓磁式傳感器6、應(yīng)力狀態(tài)下內(nèi)部磁場的變化、應(yīng)力狀態(tài)下內(nèi)部磁場的變化正磁致伸縮材料正磁致伸縮材料 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 使磁化方向轉(zhuǎn)向拉應(yīng)力方向。使磁化方向轉(zhuǎn)向拉應(yīng)力方向。 加強拉應(yīng)力方向的磁化，使拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大。加強拉應(yīng)力方向的磁化，使拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大。 壓應(yīng)力壓應(yīng)力 使磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于壓應(yīng)力的方向使磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于壓應(yīng)力的方向 。 削弱壓應(yīng)力方向的磁化，使壓應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率減小。削弱壓應(yīng)力方向的磁化，使壓應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率減小。 453.5 3.5 壓磁式傳感器壓磁式傳感器7 7、磁彈性效應(yīng)（壓磁效應(yīng)、磁彈性效應(yīng)（壓磁效應(yīng) ） 被磁化的鐵磁材料在應(yīng)力影響下形成磁彈性能，使磁化強

31、被磁化的鐵磁材料在應(yīng)力影響下形成磁彈性能，使磁化強度矢量重新取向從而改變應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率的現(xiàn)象。度矢量重新取向從而改變應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率的現(xiàn)象。鐵磁材料的相對導(dǎo)磁率變化與應(yīng)力鐵磁材料的相對導(dǎo)磁率變化與應(yīng)力之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 式中式中 鐵磁材料的磁導(dǎo)率；鐵磁材料的磁導(dǎo)率； BS飽和磁感應(yīng)強度。飽和磁感應(yīng)強度。 從式從式(3-44)(3-44)可知，用于磁彈性式傳感器的鐵磁材料要求能承受可知，用于磁彈性式傳感器的鐵磁材料要求能承受大的應(yīng)力大的應(yīng)力、磁導(dǎo)率高磁導(dǎo)率高、飽和磁感應(yīng)強度小飽和磁感應(yīng)強度小。常用的材料是常用的材料是硅鋼片硅鋼片與與鐵鎳軟磁合金鐵鎳軟磁合金，由于后者價貴且性能不，由于后者

32、價貴且性能不夠穩(wěn)定，目前大都采用硅鋼片。夠穩(wěn)定，目前大都采用硅鋼片。 22SSB463.5 3.5 壓磁式傳感器壓磁式傳感器二壓磁式傳感器的工作原理二壓磁式傳感器的工作原理 壓磁元件由具有正磁致伸縮特性的硅鋼片粘疊而成。壓磁元件由具有正磁致伸縮特性的硅鋼片粘疊而成。 硅鋼片上有四個對稱的孔，硅鋼片上有四個對稱的孔，1 1、2 2的連線與的連線與3 3、4 4的的相垂相垂直。直。 孔孔1 1、2 2間繞有激磁繞組間繞有激磁繞組W W1212，孔，孔3 3、4 4間繞有測量繞組間繞有測量繞組W W3434。 外力外力F F與繞組與繞組W W1212、W W3434所在平面成所在平面成4545角。角。 圖圖3.333.33 壓磁式測力傳感器的工作