傳感技術(shù)第3章 變磁阻式傳感器(1)

1、第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2自感式傳感器自感式傳感器1.2第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器傳感器線圈的電器參數(shù)分析傳感器線圈的電器參數(shù)分析3.13.2互感式傳感器互感式傳感器3.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器3.4壓感式傳感器壓感式傳感器3.53u變磁阻式傳感器是利用變磁阻式傳感器是利用電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原理將被測非電量如位原理將被測非電量如位移、壓力、流量、重量、振動等轉(zhuǎn)換成移、壓力、流量、重量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量線圈自感量L L或或互互感量感量MM的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。（電感式傳感器）輸出

2、的裝置。（電感式傳感器）u優(yōu)點優(yōu)點: :結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長，測量精度高，零點穩(wěn)定，輸出功結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長，測量精度高，零點穩(wěn)定，輸出功率較大等。率較大等。u缺點缺點: :靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。不適用于快速動態(tài)測量。 被測非電量被測非電量自感系數(shù)自感系數(shù)L L互感系數(shù)互感系數(shù)M M U U、I I、F F第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器5第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器F F6第一節(jié)第一節(jié) 傳感器線圈的電器參數(shù)分析

3、傳感器線圈的電器參數(shù)分析第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器7磁路電路磁動勢 F磁通 磁阻 RmmRF電動勢 E電流 I電阻 RREI WI +EIR磁路歐姆定律磁路歐姆定律FI W第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器8WLImIWR mR2MWLR線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵磁動勢第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器9mFRRR121L2L1S2S0S2m2m7102m121122FLLRSS02RSL第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器101011202222LSSLSSm02RS220m2WSWLR第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器11mR第第3章章 變磁阻式傳感器變磁

4、阻式傳感器12220m2WSWLR第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器13220m2WSWLR第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器14第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器線圈的等效電路L-線圈電感；Rc-線圈銅耗電阻；Re-鐵心渦流損耗電阻；C-線圈的寄生電容第一節(jié)第一節(jié) 傳感器線圈的電器參數(shù)分析傳感器線圈的電器參數(shù)分析CLRcRe 線圈等效電路的變換形式15第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器1.銅損電阻Rc取決于導(dǎo)線材料及線圈的幾何尺寸。2.渦流損耗電阻R 由頻率為的交變電流激勵產(chǎn)生的交變磁場，會在線圈鐵心中造成渦流及磁滯損耗。根據(jù)經(jīng)典的渦流損耗計算公式知，為降低渦流損耗，

5、疊片式鐵心的片厚應(yīng)??；高電阻率有利于損耗的下降，而高磁導(dǎo)率卻會使渦流損耗增加。3.磁滯損耗電阻Rh鐵磁物質(zhì)在交變磁化時，磁分子來回翻轉(zhuǎn)而要克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。4.并聯(lián)寄生電容C的影響并聯(lián)寄生電容主要由線圈繞組的固有電容與電纜分布電容所構(gòu)成。16第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器一一. .工作原理與輸出特性工作原理與輸出特性v自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。v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變氣隙式、變面積式與螺管式三種；按磁路的結(jié)構(gòu)型式又有型、E型或罐型等等；按組成方式分，有單一式與差動式兩種。第二節(jié)第二節(jié) 自感式傳感器自感式傳感器171.1

6、.變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器20002SWL00L 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器1801L22001000002()2WSWSLLLL0010011LL 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器19001 LL時時，當(dāng)當(dāng) 1 0 .LL 3020001 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2002L22002000002()2WSWSLLLL0020011LL第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器21200LL00LLK時時，當(dāng)當(dāng) 1 0 2320000.LL第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器22第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器232.變面積式自感傳感

7、器變面積式自感傳感器銜鐵移動位移銜鐵移動位移x,則則 xabxSRM0022 axLaxabWxSWRWxLM1212002022電感變化與移動位移電感變化與移動位移x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。x xa a第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器24第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸出特性呈線性，因此可望得到較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減小 ，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。 值的選取與變氣隙式相同。25第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3.螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 螺管式自感傳感器由平均

8、半徑為r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，從而使線圈的電感發(fā)生變化。26 鐵鐵 芯芯位移位移x0l00MlxRS 00002211lxLxlSWRWxLM 鐵芯在線圈中伸入長度變化，引起螺管線圈自感鐵芯在線圈中伸入長度變化，引起螺管線圈自感值變化。值變化。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器27第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4.差動式自感傳感器差動式自感傳感器 絕大多數(shù)自感式傳感器都運(yùn)用與電阻差動式類似的技術(shù)來改善性能：由兩單一式結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器。 在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式

9、自感傳感器，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。28 當(dāng)銜鐵當(dāng)銜鐵3 3 移動時，一個線圈的電感量增加，另一移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。個線圈的電感量減少，形成差動形式。1-1-線圈線圈 2-2-鐵芯鐵芯 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-導(dǎo)桿導(dǎo)桿1 12 23 34 44 4第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器29變氣隙型差動式自感傳感器變氣隙型差動式自感傳感器)(20012SWL)(20022SWL .LL32000011 .LL30200021 銜鐵銜鐵R1R2L2L1ACU0U第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器30002LLK.25300

10、0012LLLL .LLLLL5300000122 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器31第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3243 32 21 13 31 14 41-1-線圈線圈 2-2-鐵芯鐵芯 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-導(dǎo)桿導(dǎo)桿第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器33第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、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(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。右圖表示傳感器非線性改善的情況。差動式自感傳感器的輸出特性34第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器二二. .測量電路測量電路1.電橋

11、電路電橋電路 自感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種。輸出端對稱電橋 ()一般形式；()變壓器電橋350UACU11201212222ACACACACZUUUUZZZUZZZZZZ Z1 1= =Z+Z+ Z; ZZ; Z2 2= =Z-Z- Z Z 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器360000222ACACACUUUZjLULZRj LL 0LL002()LL 00ACUU 可見，電橋輸出電壓與可見，電橋輸出電壓與有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。由于是交流信號，還要經(jīng)過適當(dāng)電路處理才能判別銜鐵位移的由于是交流信號，還要經(jīng)過適當(dāng)電路處理才能判別銜鐵位移的大小及

12、方向。大小及方向。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器37L/mH/mm. .o oU U. .o oU U. .o oU U第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器38第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器391Z2Z221o121222Z UZZUUUZZZZ1ZZZ2ZZZ第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4022oUZUjLUZRj L若線圈的若線圈的Q Q值很高，損耗電阻可忽略，則值很高，損耗電阻可忽略，則 當(dāng)銜鐵向上、向下移動相同的距離時，產(chǎn)生的輸出電壓大小當(dāng)銜鐵向上、向下移動相同的距離時，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號，要判斷銜鐵位移的大相等，但極

13、性相反。由于是交流信號，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。2oULUL變壓器電橋使用元件少，輸出阻抗小，電橋開路時電路呈線性，因此應(yīng)用較廣。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器41第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2.諧振電路諧振電路 諧振電路如圖3.8(a)所示。圖中Z為傳感器線圈，E為激勵電源。設(shè)圖(b)中曲線1為圖(a)回路的諧振曲線。若激勵源的頻率為f，則可確定其工作在A點。當(dāng)傳感器線圈電感量變化時，諧振曲線將左右移動，工作點就在同一頻率的縱坐標(biāo)直線上移動(例如移至B點)，于是輸出電壓的幅值就發(fā)生相應(yīng)變化。這種電

14、路靈敏度很高，但非線性嚴(yán)重，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。42第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3.8 ()諧振電路 ()諧振曲線43 3.恒流源電路恒流源電路 這種電路與大位移(螺管式)自感傳感器配用，見圖3.9。傳感器線圈用恒流源激勵，1是銜鐵在螺管線圈內(nèi)移動時線圈兩端的電壓，2是與1反相、幅值恒定的電壓，0為電路輸出電壓。于是，01-2。2的作用是抵消電壓的非線性部分，使輸出電壓呈線性。由圖可見，當(dāng)銜鐵剛進(jìn)入傳感器線圈時，其電壓靈敏度dU/da較低，線性也較差。當(dāng)a后，靈敏度提高，線性改善，進(jìn)入工作區(qū)域。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器

15、44第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3.9 大位移自感式傳感器工作原理 ()電原理圖；()輸出特性45第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4.調(diào)頻電路調(diào)頻電路圖3.10 電感調(diào)頻式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖 1諧振電容；2調(diào)頻振蕩器；3電感線圈；4磁性套筒；5導(dǎo)桿(銜鐵)46第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器當(dāng)傳感器線圈電感L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與輸出頻差變化呈線性關(guān)系。傳感器的結(jié)構(gòu)見圖3.10。由于輸出為頻率信號，這種電路的抗干擾能力很強(qiáng)，電纜長度可達(dá)1km，特別適合于野外現(xiàn)場使用。47第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式

16、傳感器5.相敏檢波電路相敏檢波電路相敏檢波電路是常用的判別電路。下面以帶二極管式環(huán)形相敏檢波的交流電橋為例介紹該電路的作用。圖3.11 相敏檢波電路 ()帶相敏檢波的交流電橋；()實用電路48第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器如圖3.11(a)所示，Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3Z4構(gòu)成另兩個橋臂，U為供橋電壓，U為輸出。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，Z1Z2Z，電橋平衡，U0。若銜鐵上移，Z1增大，Z2減小。如供橋電壓為正半周，即A點電位高于B點，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。在AECB支路中，C點電位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D點電位由于Z2減小而增高。因此D點電位

17、高于C點，輸出信號為正49第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器如供橋電壓為負(fù)半周，B點電位高于A 點，二極管D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C點電位由于Z2減小而比平衡時降低；在BDEA支路中，D點電位則因Z1增大而比平衡時增高。因此D點電位仍高于C點，輸出信號仍為正。同理可以證明，銜鐵下移時輸出信號總為負(fù)。于是，輸出信號的正負(fù)代表了銜鐵位移的方向。實際采用的電路如圖3.11(b)所示。L1、L2為傳感器的兩個線圈，C1、C2為另兩個橋臂。電橋供橋電壓由變壓器B的次級提供。R1、R2、R3、R4為四個線繞電阻，用于減小溫度誤差。C3為濾波電容，Rw1為調(diào)零電位器，Rw2為

18、調(diào)倍率電位器，輸出信號由電壓表V指示。50第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器三三. .自感式傳感器的誤差自感式傳感器的誤差1.輸出特性的非線性輸出特性的非線性 各種自感式傳感器，都在原理上或?qū)嶋H上存在非線性誤差。測量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用的方法是采用差動結(jié)構(gòu)和限制測量范圍。51第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器1.輸出特性的非線性輸出特性的非線性 對于螺管式自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴(kuò)大線性范圍或提高線性度。在工藝上應(yīng)注意導(dǎo)磁體和線圈骨架的加工精度、導(dǎo)磁體材料與線圈繞制的均勻性，對于差動式則應(yīng)保證其對稱性，合理選擇銜鐵長度和線圈匝數(shù)。另一種有效的方法是采用

19、階梯形線圈，如圖所示。階梯形線圈52第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2.零位誤差零位誤差差動自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實際上總存在零位不平衡電壓輸出(零位電壓)，造成零位誤差，如圖(a)所示。過大的零位電壓會使放大器提前飽和。()零位電壓 ()相應(yīng)波形53第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器零位電壓的組成十分復(fù)雜，如圖(b)所示。它包含有基波和高次諧波。()零位電壓 ()相應(yīng)波形54第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器產(chǎn)生基波分量的主要原因是傳感器兩線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對稱，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電氣參數(shù)不一致。由于基波同相分量可以通過調(diào)

20、整銜鐵的位置(偏離機(jī)械零位)來消除，通常注重的是基波正交分量。造成高次諧波分量的主要原因是磁性材料磁化曲線的非線性，同時由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對消，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵信號中包含的高次諧波及外界電磁場的干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。應(yīng)合理選擇磁性材料與激勵電流，使傳感器工作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵電流的諧波成分與利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。55第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器一種常用的方法是采用補(bǔ)償電路，其原理為： (1)串聯(lián)電阻消除基波零位電壓； (2)并聯(lián)電阻消除高次諧波零位電壓； (3)加并聯(lián)電

21、容消除基波正交分量或高次諧波分量。零位電壓補(bǔ)償電路：()典型接法；()實際電路56第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖()示出了上述原理的典型接法。圖中Ra用來減小基波正交分量，作用是使線圈的有效電阻值趨于相等，大小約為0.10.5，可用康銅絲繞制。Rb用來減小二、三次諧波，其作用是對某一線圈(接于A、B間或B、C間)進(jìn)行分流，以改變磁化曲線的工作點，阻值通常為幾百幾十k。電容C用來補(bǔ)償變壓器次級線圈的不對稱，其值通常為100500F。有時為了制造與調(diào)節(jié)方便，可在C、D間加接一電位器Rw，利用Rw與Ra的差值對基波正交分量進(jìn)行補(bǔ)償。圖(b)示出了一種傳感器的實際補(bǔ)償電路。57第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感