浅谈变磁阻式传感器的原理及应用 论文

传感器原理及应用期中论文 题目：浅谈变磁阻式传感器的原理及应用 摘 要 随着信息时代的到来，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。作为新型传感器的一种变磁阻式传感器，对其深入研究也就更加愈加重要。本文磁阻式传感器的基本概念入手，着重讨论了电感式、变压器式和电涡流式三种传感器的工作原理、输出特性、测量电路及其在生活中的实际应用。旨在帮助我们利用传感器知识更好的改善生活，提高生活质量，从而促进社会进步。关键词： 变磁阻式传感器 电感式 变压器式 电涡流式 原理 应用 AbstractWith the advent of the information age, information technology played a decisive role on social development, scientific progress.The foundation of information technology includes information collection,information transmission and information processing,and information collection cannot ignore the sensor technology. In recent years, the sensor is in the stage of development from traditional to new. Magnetic resistance sensor as a kind of new type of sensor, the research of it is becoming more and more important. This paper started with the basic concept of magnetic resistance sensor,and discussed the inductive, transformer and the eddy current type of the sensors working principle,output characteristics,measurement circuit and the actual application in the life.Using sensors aimed at helping us improve life,also to promote social progress.Keywords：magnetic resistance sensor; inductive; transformer; eddy current type; working principle application1.变磁阻式传感器1.1变磁阻式传感器定义 变磁阻式传感器，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的传感器。可用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。既可用于动态测量，也可用于静态测量。实质上是一种机电转换装置，在自动控制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器之一。1.2变磁阻式传感器分类根据转换原理，分为电感式（自感L变化）、变压器传感式（互感M变化）、电涡流式（L、M都变化）传感器；根据结构形式，分为气隙型、面积型、螺管型传感器。本文主要按转换原理分类，逐个进行介绍。1.3变磁阻式传感器的优缺点 具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨力大，能分辨0.01 的位移变化；重复性好，线性度优良；能实现远距离传输、记录、显示和控制。有两个不足：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；存在交流零位信号，不宜高频动态测量。2.电感式传感器2.1工作原理 电感式传感器，是利用线圈自感量的变化来实现测量的。它的结构由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈中电感量：，其中是线圈匝数，是总磁阻。且 （是磁导率，是空气气隙）因为 所以若气隙截面积A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器；保持气隙间距不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。传感器灵敏度： S与气隙长度的平方成反比，愈小，S愈高，同时存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间隙变化范围内使用，一般取。这种传感器适用于较小位移（0.0011mm）的测量。2.2输出特性气隙厚度时自感系数：。当衔铁上移时，传感器气隙减小，即，则输出电感为 当时，用泰勒级数展开成级数形式：；当衔铁随被测的初始位置向下移动时，同理有 忽略高次项线性处理得：，因此既可确定衔铁位置又可确定方向。 电感灵敏度：2.3测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的转换电路如下：（1）变压器电桥电路：基本原理是输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化。（2）相敏检波电路：基本原理是输出电压经相敏检波可反映位移的大小和方向。（3）调频电路：基本原理是传感器电感的变化引起输出电压频率的变化。（4）调相电路：基本原理是传感器电感的变化将引起输出电压相位的变化。 2.4实践应用（1）应用于电感式滚珠直径分选装置。（2）应用于磨加工主动测量、测量长度位移量和制做电子测微仪。3.变压器式传感器3.1工作原理 变压器式传感器，是利用变压器作用原理把被测位移等转换为初、次级线圈互感变化的。闭磁路变隙式差动变压器的结构：在A、B两个铁芯上绕有的两个初级绕组和两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。 当被测体没有位移时衔铁处于初始平衡位置，与两个铁芯的间隙相等，则两绕组的互感相等，则两个次级绕组的互感电势相等。因次级绕组反相串联，差动变压器输出电压为零。 当被测体有位移时衔铁的位置发生变化，两次级绕组的互感电势不相等，即差动变压器有电压输出。输出电压的大小与相位反映位移的大小和方向。3.2输出特性研究前提是：在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下的等效电路。不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响时，变隙式差动变压器输出电压为当衔铁处于初始平衡位置时U2=0。若被测体带动衔铁移动，向上移动（向上移动为正）时有 由此可知，变隙式差动变压器的输出电压与衔铁位移量成正比。 闭磁路变隙式差动变压器的输出特性表明，变压器输出电压大小与衔铁位移大小成正比，相位根据衔铁移动方向与输入电压同相或反向。变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为：电源幅值的适当提高可以提高灵敏度值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。增加W2/W1的比值和减小0都能使灵敏度K值提高。但W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关。一般选择传感器的0为0.5 mm。 3.3测量电路差动变压器输出交流电压，用交流电压表测量，只能反映衔铁位移大小，不能反映移动方向；测量值中还包含零点残余电压。为了辨别移动方向和消除零点残余电压，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 典型差动整流电路有：半波电压输出，全波电压输出，半波电流输出，全波电流输出四种电路。差动整流电路，电压输出的，适用于交流阻抗负载；电流输出的，适用于低阻抗负载。并且差动整流电路具有结构简单, 不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响, 分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。3.4实践应用（1）电感测微仪 动态测量范围： 分辨率： 精度：3%（2）电感压力传感器 由接头、膜盒、底座、线路板、差动变压器、衔铁、罩壳组成（3）电感式滚珠直径分选装置4.电涡流式传感器4.1工作原理电涡流式传感器是利用金属导体的电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。将块状金属导体置于通有交变电流的传感器线圈磁场中。根据法拉第电磁感应原理，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流，电涡流也将产生一个新磁场，和方向相反，抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化。根据等效电路列出电路方程组为： （1） （2）可得传感器的等效阻抗为：传感器的等效电感为：4.2输出特性（1）等效电路 被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为R2、电感为L2。线圈与被测导体等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，随线圈与导体间距的减小而增大。（2）等效阻抗与品质因数线圈受电涡流影响后的等效电阻：线圈受电涡流影响后的等效电感：线圈等效品质因数：4.3测量电路电涡流传感器的测量电路主要有调频式、 调幅式电路和交流电桥等。（1）调频式电路：传感器线圈接入振荡回路，当传感器与被测导体距离改变，由涡流影响传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。通过频率电压变换，用电压表测量对应的电压。 （2）调幅式电路：传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成石英晶体振荡电路。当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。 4.4实践应用（1）无损金属材料探伤：被测金属物上无缺陷，穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零；反之所测感应电势不为零。（2）测量位移液位监控系统或汽轮机主轴的轴向窜动（3）测量转速、测量薄膜厚度、测量板材厚度（4）生产工件计数（5）接近传感器接近开关专用集