变磁阻式传感器演示幻灯片

1,变磁阻式传感器,1、电感式传感器2、变压器式传感器3、电渦流式传感器,变磁阻式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的。它可以把输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电能量输出。,2,变磁阻式传感器的特点：,结构简单：工作中没有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长；灵敏度高分辩力大：能测出0.01m甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大；重复性好线性度优良：在一定位移范围（最小几十微米，最大达数十甚至数百毫米）内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0.1%。缺点：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。,3,第一节电感式传感器,一、工作原理,L线圈自感量；线圈总磁链，单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型b)截面型c)螺管型,4,1、2铁芯材料的导磁率；L1、L2磁通通过铁芯的长度；S1、S2铁芯的截面积；0空气的导磁率；S0气隙的截面积；气隙的厚度。,气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻：,5,二、电感式传感器输出特性,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，则有,得到,6,当/01时，,灵敏度为,由上可见，变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,7,差动变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,8,进行线性处理忽略高次项得,灵敏度k0为,（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以(/0)因子，因为(/0)1，所以，差动式的线性度得到明显改善。,因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。,9,交流变压器电路,输出电压,衔铁偏离中间零点时,三、测量电路,衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于U0是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,10,第二节差动变压器式传感器,差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。1、变隙式2、变面积式3、螺线管式,11,第二节差动变压器式传感器,(a)、(b)变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器(e)、(f)变面积式差动变压器,12,一、工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组,1、活动衔铁处于初始平衡位置时，U2=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零；2、当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，U2也必将随x变化。U2=E2a-E2b0,13,差动变压器输出电压特性曲线,14,二、基本特性,当次级开路时，初级线圈激励电流为,则次级绕组中感应电势为,次级两绕组反相串联，则,输出电压有效值,15,1、基本特性分析：,（1）当活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M则U2=0（2）当活动衔铁向W2a方向移动时M1=M+M,M2=M-M故（3）当活动衔铁向W2b方向移动时M1=M-M，M2=M+M故,16,2、零点残余电压及消除方法,零点残余电压的危害：（1）零点残余电压使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。（2）零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。减小零点残余电压的措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。,17,三、测量转换电路,差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,18,（1）差动整流电路,(c)半波电流输出(d)全波电流输出（适用于低阻抗负载）,电阻R0用于调整零点残余电压,(a)半波电压输出(b)全波电压输出（适用于高阻抗负载）,19,（2）相敏检波电路,20,相敏检波电路波形,(a)被测位移变化波形图；,(b)差动变压器激励电压波形；,(c)差动变压器输出电压波形；,(d)相敏检波解调电压波形；,(e)相敏检波输出电压波形,21,第三节电涡流式传感器,当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内引起感应电流，此电流在导体内闭合，称为涡流。,一、基本原理,线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感,22,等效电路,线圈的等效电感为,23,二、传感器的结构,线圈框架3框架衬套4支架5电缆6插头,1、高频反射式涡流传感器,由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。,24,电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等,25,2、低频透射式涡流传感器,透射式涡流传感器原理线圈感应电势与厚度关系曲线,26,由图可见，f较低时（即t较大），线性较好。因此f应选择较低的频率（通常用1kHz左右）。同时，h较小时，t3曲线（f较高）的斜率较大。因此：测薄板时应选较高的频率，测厚板时则选较低的频率。,27,三、测量电路,根据电涡流式传感器的工作原理，针对被测参可以转换为线圈电感、阻抗或Q值的三种参数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。Q值测试电路较少采用，电桥电路在前面已作了较详细的阐述。本节主要介绍谐振电路。其基本原理是将传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路，谐振频率f=1/(2)；谐振时回路阻抗最大，为，其中为回路等效损耗电阻。当电感L变化时，f和Z0都随之变化，因此通过测量回路阻抗或谐振频率即可获得被测值。目前电涡流式传感器所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。,28,定频调幅式:在无被测导体时，由传感器线圈L与电容C构成并联谐振回路，调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大。当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙（位移）成近似线性关系。由于输出电压的频率f0始终恒定，因此称定频调幅式。变频调幅式:将传感器线圈L直接接入电容三点式振荡回路，当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。调频式:调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路；所不同的是，以振荡频率的变化作为输出信号。,29,第四节变磁阻式传感器的应用,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,1.压力测量,30,差动变压器微压力传感器结构图,1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,31,2.力和力矩的测量,1线圈2衔铁3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,32,3.加速度测量,1悬臂梁；2差动变压器,33,电涡流式位移传感器,(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图,4.位移的测量（1）,34,4.位移的测量（1）,偏心和振动检测,通过测量间隙来测量径向跳动,电涡流式位移传感器,35,4.位移的测量（1）,测量金属薄膜、板材厚度,电涡流式位移传感器,36,4.位移的测量（1）,测量尺寸、公差及零件识别,电涡流式位移传感器,37,4.位移的测量（1）,测量封口机工作间隙,间隙越大，电涡流越小,电涡流式位移传感器,38,4.位移的测量（1）,间距,电涡流式位移传感器,测量注塑机开合模的间隙,39,1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线,差动变压器式位移传感器,4.位移的测量（2）,40,4.位移的测量（3）,感应同步器,感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成，如图所示。,定尺,滑尺,41,4.位移的测量（3）,感应同步器,旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成,定子,转子,42,4.位移的测量（3）,感应同步器,在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90相角，故又称为正弦、余弦绕组。工作时在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。,43,电感式滚柱直径分选装置,1气缸2活塞3推杆4被测滚柱5落料管6电感测微器7钨钢测头8限位挡板9电磁翻板10容器（料斗）,44,电感式滚柱直径分选装置,滑道,11个分选仓位,废料仓,45,(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,5.振幅的测量,电涡流式位移（振幅）传感器,46,电涡流式位移（振幅）传感器,5.振幅的测量,测量悬臂梁的振幅及频率,汽轮机叶片测试,47,电涡流式位移（振幅）传感器,5.振幅的测量,测量弯曲、波动、变形,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。,48,6.厚度测量,电涡流式厚度计测量冷轧板厚度,49,7.转速测量,f频率值(Hz)；n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。,50,7.转速测量,51,8.涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数(x,)的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,52,a)比较浅的裂