变磁阻式传感器

1、1第第6章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器q电感式传感器电感式传感器q差动变压器式传感器差动变压器式传感器q电涡流传感器电涡流传感器2基础知识一：磁力基础知识一：磁力 (B)线的分布规律线的分布规律磁力线是一簇封闭的无头无尾的永不相交的曲线；磁力线是一簇封闭的无头无尾的永不相交的曲线；磁力线总是趋向于走磁阻最小的路径；磁力线总是趋向于走磁阻最小的路径；磁力线磁力线垂直垂直穿出或进入导磁体表面；穿出或进入导磁体表面；当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。均匀的，而且磁力线呈平行直线。3气隙磁通当两磁极表面平行且气隙很小时

2、，磁场当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。4基础知识二：磁阻与磁导基础知识二：磁阻与磁导SlRFmF导磁体磁阻：l: 磁路长度磁路长度 S: 磁路横截面磁路横截面导体导磁率导体导磁率F（10-3H/m量级）量级）空气导磁率空气导磁率0 =410-7H/m亨利）磁导：(1mFRG SRm0空气磁阻：mFmRRF05基础知识三：等效磁路基础知识三：等效磁路l1/A1l2/A2l3/A3G1G2G32111GGG113113GGGGG磁路磁路1和和2并联并联：再和再和3串联串联：6线圈电感线圈电感：由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律

3、，磁通磁通定义为定义为：IWILnimiRIW1其中：其中：L:线圈电感；线圈电感；：磁通；：磁通；W:线圈匝数；线圈匝数； I:线圈电流；线圈电流；Rmi:第第i段磁路磁阻段磁路磁阻磁链定义为磁链定义为： W串联回路串联回路磁势磁势：niminiiminiiRRuWI111磁压降磁阻7概述概述 变磁阻式传感器：变磁阻式传感器： 利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感L或或互感互感M）变化来检测非电量的机电转换装置。）变化来检测非电量的机电转换装置。按照工作原理分类：按照工作原理分类：自感式：自感式： L变化变化差动变压器式：差动变压器式：M变化变

4、化电涡流式：电涡流式： L、M变化变化按结构分类：按结构分类：气隙式电感传感器（闭磁路结构形式）气隙式电感传感器（闭磁路结构形式）螺管式电感传感器（开磁路结构形式）螺管式电感传感器（开磁路结构形式）8l2S2S16.1 电感式传感器电感式传感器一、单电感传感器一、单电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁Usr问：加问：加直流电直流电和交流和交流电时回电时回路电流路电流相同吗？相同吗？910简单电感传感器的工作原理简单电感传感器的工作原理）（线圈的电感：HIWLW: :线圈的匝数线圈的匝数 I: :线圈中的电流线圈中的电流 ：磁路磁通：磁路磁通 RM: :磁路总磁阻磁路总磁阻MRWI RslRiii

5、iMSR02MRWL2为何是2？11mFRR 当线圈匝数为常数时当线圈匝数为常数时, 电感电感L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻Rm的函数的函数, 只要改变只要改变或或S均可导致电感变化均可导致电感变化, 因此变磁阻式传感器又可因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。使用的传感器和变气隙面积的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。202SWL或GWRWL22121、变间隙简单电感传感器的输出特性、变间隙简单电感传感器的输出特性向上移动：向上移动： 0)(20021SWL)(00011LLLL20000001)(1

6、/11LL向下移动：向下移动： 0)(20022SWL)(00022LLLL20000002)(1/11LLL0L0-+L1-L213变间隙简单电感传感器的输出特性变间隙简单电感传感器的输出特性当有两个铁芯，并采用差动结构时：当有两个铁芯，并采用差动结构时：20000001)(1)/11(LL20000002)(1)/11(LL2000201)(12LLLL结论：灵敏度提高，非线性减小。14Conclusions:减小减小0，增大灵敏度。，增大灵敏度。L/Lf(）为非线性，而且当）为非线性，而且当/ ，非线性，非线性增大。增大。非线性与测量范围相互制约，一般取非线性与测量范围相互制约，一般取/

7、 =0.10.2，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。较精确的。与与 引起的引起的L的变化大小不同，且的变化大小不同，且越大，越大， 两种情况对应的两种情况对应的L相差越大。相差越大。为了减小非线性误差为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变隙实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。式电感传感器。特点特点:与变间隙电容相似。与变间隙电容相似。2000201)(12LLLL152、电感传感器的等效电路分析、电感传感器的等效电路分析ReRhRcCL铜损电阻（铜损电阻（ R Rc c ）; ;铁芯的涡流损耗电阻（铁芯的涡流损耗电阻（

8、 R Re e ）; ;磁滞损耗电阻（磁滞损耗电阻（ R Rh h ）; ;寄生电容（寄生电容（C）. .24dWlSLRcpcccLptRe26L Lcpcp：每匝线圈平：每匝线圈平均长度；均长度；d d：导线的直径。：导线的直径。t t：铁芯厚度；：铁芯厚度；p p：涡流穿透深度涡流穿透深度. .Iet铁芯的横截面16不考虑寄生电容、磁滞损耗的等效电路：不考虑寄生电容、磁滞损耗的等效电路：ReRcLLReRc2211eeeeeeRLLjLRRLjRLjRLjR12LRRReee2)(11LRLLe由于涡流的作用，由于涡流的作用，使得等效电感减使得等效电感减小。小。分析讨论：分析讨论：17减

9、小对减小对L的影响的措施的影响的措施：减小铁损的具体办法：减小铁损的具体办法：1）铁芯采用迭片式结构）铁芯采用迭片式结构;2）采用电阻率大的铁氧材料）采用电阻率大的铁氧材料.增大增大Re 增大增大(Re / l) 减小减小Re ReA-整流整流-低通滤波低通滤波-去去直流分量直流分量-复现原调制信号。复现原调制信号。解调电路解调电路：技术路线技术路线：76差动整流检波测量电路差动整流检波测量电路abcd77差动整流检波测量电路差动整流检波测量电路1）方波发生电路）方波发生电路mskkFkT4 . 41121ln102126782）电流放大电路）电流放大电路793）精密整流电路）精密整流电路io

10、UU0,iU当80ioUU0,iU当81加法电路加法电路1.讨论两半波整流器的输入信号特点。2.讨论两半波整流器的输出信号特点。3.加法器的作用相敏。见黑板！82一阶低通滤波器一阶低通滤波器83低频低频高频高频一阶低通滤波器的波特图一阶低通滤波器的波特图84设差动电感传感器的线圈阻抗分别为设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和和Z2Z2。当衔铁处于中间位置时，当衔铁处于中间位置时，Z1Z1= =Z2Z2= =Z Z，电桥处于平衡，电桥处于平衡状态，状态，C C点电位等于点电位等于D D点电位，电表指示为零。点电位，电表指示为零。 以差动电感为例说明相敏整流电路的原理：差动电感传感器差动电感传感

11、器相敏整流交流电桥相敏整流交流电桥85当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1Z1= =Z+Z+Z Z，则下部线圈阻抗减，则下部线圈阻抗减少，少，Z2Z2= =Z-Z-Z Z。如果输入交流电压为正半周，则。如果输入交流电压为正半周，则A A点电位为正，点电位为正，B B点点电位为负，二极管电位为负，二极管V1V1、V4V4导通，导通，V2V2、V3V3截止。在截止。在A-E-C-BA-E-C-B支路中，支路中，C C点电位由于点电位由于Z1Z1增大而比平衡时的增大而比平衡时的C C点电位降低；而在点电位降低；而在A-F-D-BA-F-D-B支中中，支中中，D D点电位由

12、于点电位由于Z2Z2的降低而比平衡时的降低而比平衡时D D点的电位增高，所以点的电位增高，所以D D点电位高点电位高于于C C点电位，直流电压表正向偏转。点电位，直流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，如果输入交流电压为负半周，A A点电位为负，点电位为负，B B点电位为正，二极点电位为正，二极管管V2V2、V3V3导通，导通，V1V1、V4V4截止，则在截止，则在A-F-C-BA-F-C-B支中中，支中中，C C点电位由于点电位由于Z2Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B B点电位点电位为正，为正，A A点电位为负，

13、点电位为负，C C点相对于点相对于B B点为负电位，点为负电位，Z2Z2减少时，减少时，C C点电位点电位更负）；而在更负）；而在A-E-D-BA-E-D-B支路中，支路中，D D点电位由于点电位由于Z1Z1的增加而比平衡时的的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是电位增高，所以仍然是D D点电位高于点电位高于C C点电位，电压表正向偏转。点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。为负。可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又

14、能反映位移的方向。能反映位移的方向。 86相敏整流交流电桥仿真相敏整流交流电桥仿真87L1增大， L2减小。88L2增大， L1减小。894、应用、应用差动变压器传感器是将被测的非电量转差动变压器传感器是将被测的非电量转换成线圈互感量变化，并且其次级绕组换成线圈互感量变化，并且其次级绕组采用差动形式连接。采用差动形式连接。目前应用最多的是螺线管是差动变压器，目前应用最多的是螺线管是差动变压器，它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围以内的机械位范围以内的机械位移量移量. .测振动、加速度；测振动、加速度；测挠度。测挠度。90袖珍型差动变压器位移变送器袖珍型差动变压器位移变送器型号：型

15、号：MSC710。特点：结构严实、牢固，安装、操作简单。特点：结构严实、牢固，安装、操作简单。应用应用工业产品检测和实验室测量。工业产品检测和实验室测量。-公差质量控制；公差质量控制；-高度尺寸检测；高度尺寸检测；-试验台、试验站；试验台、试验站；-流动试验车。流动试验车。91振动和加速度的测量振动和加速度的测量衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。92左图所示差动变压器式力传感器：左图所示差动变压器式力传感器：外力作用

16、下，变形使差动变压器的外力作用下，变形使差动变压器的铁芯微位移，变压器次极产生相应铁芯微位移，变压器次极产生相应电信号。电信号。载荷测量载荷测量93张力测量张力测量94压力测量压力测量956.3 电涡流传感器电涡流传感器一、工作原理一、工作原理电涡流传感器采用的是感应电电涡流传感器采用的是感应电涡流原理。涡流原理。当带有高频电流的线圈靠近被当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距电涡流效应与被测金

17、属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率等何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。属参数转换成电压或电流变化。电涡流传感器就是根据这一原电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。等参数的测量。96电涡流的形成过程电涡流的形成过程线圈通入交变电流线圈通入交变电流I，在线圈的周围产，在线圈的周围产生交变的磁场生交变的磁场H1；位于该磁场中的金属导体上产生感应位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流；电动势并形成涡流；

18、涡流也产生相应的磁场涡流也产生相应的磁场H2，H2与与H1方方向相反；向相反；H2的作用引起线圈等效阻抗、等效电的作用引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化：感等发生相应的变化：),(xfIrfZ: :电阻率；电阻率；:导磁率；导磁率；r r：线圈半径等几：线圈半径等几何尺寸；何尺寸；I:I:线圈电流；线圈电流；f:f:频率；频率；X:X:距离。距离。97二、电涡流等效电路分析二、电涡流等效电路分析02222121111LjIRIMjIUMjILjIRIsrUsrR1L1R2L2I1I2M9822222221222222211)()(LLRMLjRLRMRUIsr1IUZsr线圈等效阻抗：

19、2222222122222221)()(LLRMLjRLRMRZ122222221)(LLRMLLL线圈等效电感：线圈等效电感：9922222212222222120)(1)(1LRMRRLRMLLQQ1、品质因素、品质因素0222212222212011QZMRRZMLLQ110RLQ无涡流影响时线圈的Q值 电涡流使电涡流使等效电阻增大、等效电感减小等效电阻增大、等效电感减小，品质因素减小。，品质因素减小。 电涡流效应消耗能量电涡流效应消耗能量等效电阻等效电阻 等效电感、等效阻抗、品质因素与等效电感、等效阻抗、品质因素与M有关，是距离有关，是距离x的非线的非线性函数。性函数。 电涡流效应与距

20、离电涡流效应与距离x的关系：的关系：XH2电涡流效应电涡流效应L Q1001012、线圈对性能的影响、线圈对性能的影响电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围(x固定）固定）结论：涡流密度在线圈外径处最大；范围随外径变化；在r1.8ras处，涡流衰减为最大值的5。11电涡流密度J与半径r的关系曲线J0最大电涡流密度导体导体1023、电涡流沿金属表面法向的贯穿深度、电涡流沿金属表面法向的贯穿深度hzdeJJ/0处离表面的距离电涡流强度为表面的eh/1:z深度电流密度表面电流密度贯穿深度与频率有关，频率低，深度深。贯穿深度与频率有关，频率低，深度深。当当z=h时：时：eJJd0h表示涡流的贯穿深度

21、，表示涡流的贯穿深度，h越大，贯穿深度越深。越大，贯穿深度越深。1034、轴向磁感应强度与距离、轴向磁感应强度与距离x、 ras的关系的关系ras分布范围大分布范围大变化梯度小变化梯度小线性范围大线性范围大灵敏度小灵敏度小ras与上相反与上相反BP：轴向磁感应强度ras大ras小x/rasBP磁感应强度沿轴向分布xras1045、被测体对电涡流测量的影响、被测体对电涡流测量的影响被测体是传感器的组成部分被测体是传感器的组成部分;被测导体的电导率越高，灵敏度越高被测导体的电导率越高，灵敏度越高;磁性体的灵敏度比非磁性体低磁性体的灵敏度比非磁性体低:电涡流效应使等效电感电涡流效应使等效电感L减小减

22、小;被测物为导磁体，导磁体的作用使得被测物为导磁体，导磁体的作用使得L，磁效应抵消电涡流效应。所以，被测物磁效应抵消电涡流效应。所以，被测物是磁性体，灵敏度较非磁性体低。是磁性体，灵敏度较非磁性体低。一般采用较高的激励频率；一般采用较高的激励频率；(数十数十KHz）镀层对测量有影响；镀层对测量有影响；对被测体的大小有要求。对被测体的大小有要求。105三、电涡流传感器的典型结构三、电涡流传感器的典型结构QZLMX,采用最常采用最常用的结构用的结构形式形式高高频反射式频反射式结构结构.106涡流探头外形结构及应用107四、测量电路四、测量电路被测参数变化品质因数Q较少使用等效阻抗Z交流电桥等效电感

23、L谐振电路谐振电路调幅电路调频电路1081、调幅式测量电路调幅式测量电路原理：线圈电感原理：线圈电感 L与固定电容与固定电容C组成谐振回路，组成谐振回路，当激振频率与谐振频率相等时，当激振频率与谐振频率相等时，LC回路的阻回路的阻抗最大；由于涡流使得抗最大；由于涡流使得L、R变化时，谐振频变化时，谐振频率变化，等效阻抗变化。率变化，等效阻抗变化。振荡器f0放大检波滤波LRCUSC等效电阻109LCf21LC谐振频率为：LC1等效阻抗：R-等效电阻，对灵敏度有影响；0-激励频率。CLjRLjRCjZ000011由于激励频率很高，故：由于激励频率很高，故：CLjRCLCLjRLjCjZ000000

24、11111020011RCRLRCLZCLjRCLZ001等效阻抗：LC1LC2120201RLRLRCLZ20201RLRCL11100ZIU0020200001RLRCLIZIU20001RLRCLI2022001RLRCLI失谐频偏：线圈两端电压：200001RLRCLI2021RLRCLI112fZf0f1f2f3Z0Z1Z2Z3R0R1R2L1L2L3Q0Q1Q2Q3f0f1f2f3对非磁性材料，谐振频率右移；对非磁性材料，谐振频率右移；对磁性材料，谐振频率左移。对磁性材料，谐振频率左移。涡流增大方向涡流增大方向RCLZmaxLC1113Conclusions：当当f0 = f时，输

25、出电压最大时，输出电压最大;对非磁性体，涡流增大使得对非磁性体，涡流增大使得L1减小、减小、R1增增大、谐振频率大、谐振频率 增高增高;输出电压减小输出电压减小;谐振频率、谐振曲线向高频方向移动谐振频率、谐振曲线向高频方向移动;输出电压输出电压U与涡流参数之间呈单调非线性关与涡流参数之间呈单调非线性关系系.最大输出：CRLIU1100114115fUf0f1f2激励频率始终等于谐振频率，输出电压幅值始激励频率始终等于谐振频率，输出电压幅值始终为谐振曲线峰值。终为谐振曲线峰值。2、调频测量电路、调频测量电路-调频鉴幅式调频鉴幅式CLfo121CRLIU110116鉴频器将振荡的频率信号转换为电压

26、输出信号。鉴频器将振荡的频率信号转换为电压输出信号。调频测量电路调频测量电路-直接频率输出直接频率输出放大限幅鉴频滤波XU117五五.应用应用电涡流传感器有结构简单、抗干扰能力强、电涡流传感器有结构简单、抗干扰能力强、非接触测量非接触测量等特点等特点转速测量转速测量计数计数测厚度测厚度探伤探伤测振动测振动测温测温测位移测位移118119 相对轴位移相对轴位移指的是轴向推力轴承和导向盘之间在轴向的距指的是轴向推力轴承和导向盘之间在轴向的距离变化。离变化。 轴向推力轴承用来承受机器中的轴向力，它要求在导向盘轴向推力轴承用来承受机器中的轴向力，它要求在导向盘和轴承之间有一定的间隙以便能够形成承载油膜

27、。一般汽轮和轴承之间有一定的间隙以便能够形成承载油膜。一般汽轮机在机在0.20.3mm之间，压缩机组在之间，压缩机组在0.40.6mm之间。如果小之间。如果小于这些间隙，轴承就会受到损坏，严重的导致整个机器损坏；于这些间隙，轴承就会受到损坏，严重的导致整个机器损坏；因此需要监测轴的相对位移以测量轴向推力轴承的磨损情况。因此需要监测轴的相对位移以测量轴向推力轴承的磨损情况。相对轴位移的测量相对轴位移的测量120121发射线圈发射线圈1 和接收线圈和接收线圈2分别放在被测材料分别放在被测材料G的上下的上下低频低频(音频范围音频范围)电压电压e1 加到线圈加到线圈1 的两端后，在周围空的两端后，在周

28、围空间产生一交变磁场，并在被测材料间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流中产生涡流 ，此涡流损，此涡流损耗了部分能量，使贯穿耗了部分能量，使贯穿2的磁力线减少，从而使的磁力线减少，从而使2产生的产生的感应电势感应电势e2 减小。减小。e2 的大小与的大小与G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，e2 随材料厚度随材料厚度h增加按负指数规律减小。增加按负指数规律减小。122123124本章要点本章要点电感式传感器的工作原理、结构组成、性能电感式传感器的工作原理、结构组成、性能特点；特点；差动变压器式传感器的工作原理、结构组成、差动变压器式传感器的工作原理

29、、结构组成、性能特点；性能特点；电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其应用；应用；典型相敏测量电路。典型相敏测量电路。作业：作业：61、65125自感式自感式(变磁阻式变磁阻式)传感器传感器2022sNRNLm直线线性变面积式双曲线非线性变隙式),(,)(,sfLfL互感式传感器互感式传感器ibaibiabaIMMjIMjIMjeeU2202121212102LrMULrUMMUbaxfrfZ,变隙式变隙式螺线管式螺线管式电涡流式电涡流式126交流电桥交流电桥0000022LULK1.灵敏度是单线圈式的两倍灵敏度是单线圈式的两倍2.线性度得到明显改善线性度得到明显改善变压器式交流电桥变压器式交流电桥ULLUZZU21210输出指示无法判断位移方向输出指示无法判断位移方向差动整流电路差动整流电路结构简单，不需考虑相位调整，结构简单，不需考虑相位调整，消除了零点残余电压消除了零点残余电压相敏检波电路相敏检波电路输出不仅反映了位移的大小而且反映了位输出不仅反映了位移的大小而且反映了位移的方向移的方向调频式电路调频式电路调幅式电路调幅式电路127作业作业 习题习题 58，9 试证明图试证明图617所示差动变压器输出为所示差动变压器输出为V形特征。设（形特征。设（1）电感线圈铜损、）电感线圈铜损、铁损及漏磁均忽略并在理想空载条件下求证。