第5讲变磁阻式传感器

自感式传感器差动变压器电涡流传感器变磁阻式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f变磁阻式传感器的概述定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。测量参数：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：根据转换原理：分自感式、互感式、电涡流式三种；根据结构型式：分气隙型、面积型和螺管型。①结构简单、可靠，测量力小②分辨力高机械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。④能实现远距离传输、记录、显示和控制。不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。变磁阻式传感器的优点变磁阻式传感器的分类变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。变磁阻式传感器电感式传感器变压器式传感器电涡流式传感器总磁阻线圈匝数两式联立得:I为线圈中所通交流电的有效值。根据电感定义，线圈中的电感量由下式确定自感式传感器的工作原理空气导磁率磁导率导磁率H/m而其中变气隙厚度的传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式电感传感器。使用最广泛的是该传感器。变气隙式自感传感器L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示。变隙式电压传感器的L-δ特性变气隙式电感传感器的输出特性衔铁下移

δ衔铁Δδ初始电感量为忽略高次项：得：灵敏度衔铁上移

忽略高次项：得：由上式可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。灵敏度衔铁上移切线斜率变大衔铁下移切线斜率变小与衔铁上移：衔铁下移：无论上移或下移，非线性都将增大。与线性度差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。差动变隙式电感传感器差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。差动变隙式电感传感器下图是差动变隙式电感感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。差动变隙式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆12344衔铁下移：忽略高次项得灵敏度为：灵敏度提高一倍上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。优点：①线性好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。差动式与单线圈自感式传感器变面积式自感传感器变截面式传感器线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ螺管式自感传感器差动式螺管型自感传感器UsrUsc自感式传感器的测量电路-调幅电路1.变压器电路（工作臂Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗。）2.相敏检波电路自感式传感器的测量电路-调幅电路非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。3.谐振式调幅电路自感式传感器的测量电路-调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。自感式传感器的测量电路-调频电路传感器自感变化将引起输出电压频率的变化GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合Lf0自感式传感器的测量电路-调相电路自感式传感器的灵敏度传感器结构灵敏度转换电路灵敏度总灵敏度自感式传感器的应用举例电感式传感器—般用于接触测量，可用于静态和动态测量。测量的基本量是位移，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精密微小位移测量。变气隙差动式自感压力传感器自感式圆度仪电感式圆度仪原理图1-被测工件；2-精密主轴：3-传感器；4-工作台传感器3与精密主轴2一起回转，主轴2精度很高，在理想情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆”。当被测件1有圆度误差时，必定相对于“真圆”产生径向偏差，该偏差值被传感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波、滤波、A／D转换后送入计算机处理，最后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件的轮廓图形(径向偏差)。自感式圆度仪自感式传感器测液位自感式滚柱直径分选装置差动变压器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。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形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式（这两种也称气隙型）和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。差动变压器的结构和工作原理差动变压器结构形式分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。1243(a)气隙型123(b)螺管型41初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁互感现象EwEoutWW1W2Esx-x工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。螺管型差动变压器根据初、次级排列不同，有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。差动变压器线圈各种排列形式1初级线圈；2次级线圈；3衔铁(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式311212112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。差动变压器的等效电路差动变压器等效电路差动变压器输出特性差动变压器主要特性1．灵敏度差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激磁下,铁芯移动单位距离时所产生的输出电压的变化，其单位为ｍV/(mmV)，一般差动变压器的灵敏度大于5ｍV/mmV。要提高差动变压器的灵敏度可以通过以下几种途径：见书P67。2.线性度理想的差动变压器次级输出电压与铁芯位移成线性关系。实际上，由于铁芯的直径、尺度、材料的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等，均对线性关系有直接影响，所以，一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/4。差动变压器的线性度不仅是指铁芯位移与次级电压的关系，还要求次级电压的相位角为一定值。后一点往往比较难以满足，考虑到此因素，差动变压器的线性范围约为线圈骨架全长的1/10左右。另外，线性度好坏与激磁频率、负载电阻等都有关系。获得最佳线性度的激磁频率随铁芯长度而异。如果将差动变压器的交流输出电压用差动整流电路进行整流，能使输出电压线性度得到改善。也可以利用测量电路来改善差动变压器的线性度和扩展线性范围。零点残余电压当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Ux，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。

零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。产生零点残余电压的原因(1)基波分量。差动变压器的两个次级绕组因材料或工艺等差异造成电路参数(R、L、M)不同；初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈匝间电容的存在，使激励电流与其所产生的磁通不同相。(2)高次谐波。高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激磁电流与磁通波形不一致，产生非正弦(主要是三次谐波)磁通．从而在次级绕组感应出非正弦电势。图是利用作图法表示非正弦磁通的产生过程，同样可以分析，由于磁化曲线的非线性影响，使正弦磁通产生尖顶的电流波形(亦包含三次谐波)。消除零点残余电压的方法(1)从设计和工艺上尽量保证结构对称性。(2)选用合适的测量线路。采用相敏检波电路不仅可以鉴别铁芯移动方向，而且可以消除零点残余电压中的高次谐波成分，如图所示，采用相敏检波后铁芯反行程时的特性曲线由1到2，从而降低零点残余电压。(3)采用补偿电路。根据零点残余误差的产生原因，主要有以下几类补偿电路(见书P68图3.2.9)：a.加串联电阻(0.5~5)消除基波同相成分b.并联电容C(100~500pF)，改变某一次级绕组相位，c.消除高次谐波分量d.加并联电阻(0.1~1)×102k消除基波中正交成分；加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量。差动变压器的转换电路-差动整流电路差动变压器的转换电路-相敏检波电路外力作用下，变形使差动变压器的铁芯微位移，变压器次极产生相应电信号。差动变压器的应用-力测量差动变压器的应用-位移测量差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。图为测量液位的原理图。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升或下降时，Uo0，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。

差动变压器的应用-压力测量这种微压力变送器，经分档可测(4~+6)104N/m2的压力，输出信号电压为0~50mV，精度1.0级、1.5级。差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大3~5倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。高频时加速度测量用压电式传感器。差动变压器的应用-振动和加速度测量差动变压器的应用-测速电涡流式传感器概述成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称为电涡流。电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。电涡流传感器可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，并且还可以进行无损探伤和制作接近开关。电涡流传感器主要有两种类型：高频反射式（应用广泛）和低频透射式.电涡流式传感器的基本结构线圈1绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架2内，线圈用多股漆包线或银线绕制成扁平盘状。使用时，通过骨架衬套3将整个传感器安装在支架4上，5、6是电缆和插头。电涡流传感器结构电涡流传感器（接近开关）外型图电涡流式传感器的结构原理电涡流式传感器的基本原理如图：当线圈通交变电流i1交变磁场H1金属板中将产生感应电动势电涡流i2磁场H2H2对线圈的反作用(减弱线圈原磁场),从而导致线圈的电感量L、阻抗Z或品质因数Q发生变化。电涡流式传感器的等效电路由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为:得出线圈的等效电阻和等效电感分别为:测量电路-调频式测量电路利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。测量电路-调幅式测量电路调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻R加到传感器上。先使传感器远离被测物，则L＝L(即x趋于时的电感值)，调振荡器的频率到，得出最大输出电压u，然后保持振荡器的频率fo和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近时，由于电涡流效应，使线圈的电感量L变化，并使回路失谐，从而使输出电压u降低，由u的下降程度判断距离x的大小。测量电路-电桥测量电路Z1、Z2为差动式传感器的两个线圈，或者一个是