變磁阻式傳感器

變磁阻式傳感器一、變磁阻式傳感器特點(diǎn)變磁阻式傳感器是自感式傳感器的一種，自感式傳感器又屬于電感式傳感器類別。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量，如位移、壓力、流量、振動等，轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器具有以下特點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡單、傳感器無活動的電接觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長；2、靈敏度和分辨率高，能測出0.01μm的位移變化，傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)到數(shù)百毫伏的輸出；3、線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差僅達(dá)到0.05%—0.1%，并且穩(wěn)定性也較好。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，他在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用；但是它有頻率響應(yīng)較低、不宜快速動態(tài)測控等缺點(diǎn)。二、結(jié)構(gòu)和工作原理變阻式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵都由導(dǎo)磁材料，如硅鋼片和坡莫合金制成。在鐵芯和活動銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為。傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連，當(dāng)銜鐵移動時(shí)，氣隙厚度發(fā)生變化，從而使磁路中磁阻變化，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，這樣可以由此判別被測量的位移大小。線圈的電感值L可按如下電工學(xué)公式計(jì)算: （1）式中N——線圈匝數(shù)；RM——單位長度上的磁路總磁阻。圖1是變磁阻式傳感器基本結(jié)構(gòu)圖。圖1變磁阻式傳感器基本結(jié)構(gòu)圖磁路總磁阻可寫成： （2）式中——鐵芯磁阻；——空氣氣隙磁阻；其中和可以分別由下式求出： （3） （4）式（3）中，第一項(xiàng)為鐵芯磁阻，第二項(xiàng)為銜鐵磁阻；——磁通通過鐵芯的長度（m）；——鐵芯橫截面積（m2）；——鐵芯材料的導(dǎo)磁率（H/m）；——磁通通過銜鐵的長度（m）；——銜鐵橫截面積（m2）；——銜鐵材料的導(dǎo)磁率（H/m）；——?dú)庀稒M截面積（m2）；——空氣的導(dǎo)磁率（4π×10.7H/m）。由于，常常忽略，因此，可得到線圈電感為： （5）由式（5）可知，當(dāng)線圈匝數(shù)確定后，改變和A均可導(dǎo)致電感的變化，因此，變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積A的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度的電感傳感器。三、轉(zhuǎn)換電路變磁阻是電感傳感器是利用鐵芯線圈中的自感隨銜鐵位移或空隙面積改變而變化的原理制成的，但實(shí)際上線圈不可能呈現(xiàn)為純電感的，電感L還包含了線圈的銅損耗電阻（與串聯(lián)），同時(shí)存在鐵芯渦流損耗電阻（與L并聯(lián)）；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C表示（C與L和、相并聯(lián)），因此，電感式傳感器可用圖2所示等效電路表示。它又可以用一個(gè)復(fù)阻抗來等效。由式（5）可知，當(dāng)電感傳感器線圈匝數(shù)和氣隙面積一定時(shí)，電感量L與氣隙厚度成反比，可用圖3表示。下面分析變氣隙式電感傳感器的輸出特性。圖2等效電路圖3電感傳感器的特性四、輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?，初始電感量為，銜鐵位移引起的氣隙變化量為，從式(5)可知L和之間是非線性關(guān)系。那么，初始電感量為：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，傳感器氣隙增大，則電感量卻減少，設(shè)電感減少量為，那么：電感量的相對變化為：當(dāng)很小時(shí)，可將上式展開成級數(shù)形式為： （6）當(dāng)銜鐵上移時(shí)，氣隙減小，即，電感量增大，則電感的增加量為：同樣展開成級數(shù)為： （7）忽略掉二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，則與和成線性關(guān)系。由此可見，高次項(xiàng)是造成非線性的主要原因，且和是不相等的。當(dāng)越小時(shí)，則高次項(xiàng)迅速減小，非線性得到改善。這說明輸出特性和測量范圍之間存在矛盾，所以，電感式傳感器用于測量微小位移量是比較精確的。為了減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差動式電感傳感器。由式（6）和式（7），忽略二次以上項(xiàng)后，可得到傳感器靈敏度為： （8）可見，變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。因此常用差動自感傳感器較好的解決上述矛盾。五、差動自感傳感器1、結(jié)構(gòu)和工作原理變氣隙電感傳感器可以制作成各種樣式（如螺管式電感傳感器等），但它們都存在嚴(yán)重的非線性。為了減小非線性，可以讓兩只完全對稱的單個(gè)電感傳感器合用一個(gè)活動銜鐵，這樣可以構(gòu)成差動式電感傳感器，如差動駱管電感傳感器、差動式E形電感傳感器等，如圖4所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上、下兩個(gè)磁鐵的幾何尺寸、材料、電氣參數(shù)均完全一致。傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂，另外兩只橋臂由電阻組成，它們構(gòu)成四臂交流電橋，供橋電源為交流電壓，橋路輸出為交流電壓。圖4差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理初始狀態(tài)時(shí)，銜鐵位于中間位置，兩邊空隙相等。因此，兩只電感線圈的電感量相等，數(shù)值極性相反，電橋輸出，即電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)銜鐵偏離中間位置，向上或向下移動時(shí)，造成兩邊氣隙不一樣，使兩只電感線圈的電感量一增一減，電橋不平衡。電橋輸出電壓的大小與銜鐵移動的大小成比例，其相位則與銜鐵移動量的方向有關(guān)。若向下移動，輸出電壓為正；而向上移動時(shí)，輸出電壓則為負(fù)。因此，只要能測量出輸出電壓的大小和相位，就可以確定銜鐵位移的大小和方向。銜鐵帶動連動機(jī)構(gòu)就可以測量多種非電量，如位移、液面高度、速度等。2、輸出特性輸出特性是指電橋輸出電壓與傳感器銜鐵位移量之間的關(guān)系。非差動式電感傳感器電感量變化和位移量變化呈非線性關(guān)系。當(dāng)構(gòu)成差動電感傳感器，且接成電橋形式后，電橋輸出電壓將與有關(guān)，即： （9）式中：，L為銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)線圈的電感量。式（9）中，不存在偶次項(xiàng)，顯然，差動式電感傳感器的非線性在工作范圍內(nèi)要比單個(gè)電感傳感器小很多，由圖可以說明這一點(diǎn)。圖5還說明電橋的輸出電壓大小和銜鐵的位移量有關(guān)，它的相位則與銜鐵移動方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動為負(fù)，則為負(fù)；銜鐵向下移動為正，則為正，即相位相差180°。差動式電感傳感器的靈敏度S，由式（9）忽略高次項(xiàng)后得到式（10）。圖中，。圖5是差動電感傳感器輸出特性圖。圖5差動電感傳感器的輸出特性圖 （10）比較單線圈式和差動式，區(qū)別如下：差動式間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。差動式的非線性忽略3次以上高次項(xiàng)，單線圈的非線性項(xiàng)忽略2次以上高次項(xiàng)；并且兩者都有，因此，差動式的線性度得到明顯改善。3、調(diào)理電路電感傳感器的測量電路有交流電橋式、交流變壓器式和把傳感器作為振蕩橋路中一個(gè)組成元件的諧振式等幾種。交流電橋式調(diào)理電路圖4所示結(jié)構(gòu)原理的等效電路如圖6所示，把傳感器的兩個(gè)線圈做電橋的兩個(gè)橋臂和，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替。對于高Q值，的差動式線圈傳感器，其輸出電壓為： （11）式中——銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)線圈的電感；為其損耗；——兩線圈電感的變化量。圖6一般形式的交流電橋圖7變壓器式交流電橋忽略式（9）中的高次項(xiàng)后，，代入式（11）后可得：，電橋輸出電壓與有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋如圖7所示。電橋兩臂和為傳感線圈阻抗，另外兩臂為交流變壓器次級線圈的阻抗，電橋A點(diǎn)的電壓應(yīng)為：（C點(diǎn)為正，D點(diǎn)為負(fù)）或（D點(diǎn)為正，C點(diǎn)為負(fù)）B點(diǎn)電位為：。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓：或者為： （12）當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時(shí)，即，此時(shí)或0，電橋平衡。當(dāng)銜鐵上移時(shí)，下面線圈阻抗減小，即；而上面線圈的阻抗增加，即，于是由式（12）得 （13）當(dāng)銜鐵下移同樣大小的距離時(shí)，