2013变磁阻式传感器

1、17-18学时第6章 传感器原理与测量电路 (3),1.自感式传感器的工作原理 自感式传感器的输出特性分析 自感式传感器的测量电路,本学时主要讲解内容：,机械工程测试技术,一.概述 该传感器是利用电磁感应原理将被测量转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出来实现非电量的测量的一种传感器称电感式传感器。 它根据工作原理的不同,可分为变磁阻式,变压器式和电涡流式等种类.,F,220V,实验图片：,二. 自感式传感器的工作原理,线圈与交流电表串联, 用频率和幅值一定的交流电压U作电源。 当衔铁移动时, 线圈的电感变化, 引起电路中电流改变.,气隙变小，电感变大

2、，电流变小,F,1.变气隙式自感式传感器的工作原理与主要特性 1）工作原理：,图3.1,它由线圈1、铁芯2和衔铁3三部分组成, 在铁芯和衔铁之间留有空气隙。被测物与衔铁相连, 当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化, 改变磁路的磁阻, 使线圈电感量变化。,设线圈的匝数为W, 流过线圈的电流为I（A）, 磁路磁通为(Wb), 则根据电感定义，它的数学表达式如下:,根据磁路定理,式中, R1、R2和R分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。,(3),式中,l1、l2和分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m), S1、S2和S分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2), 1、2和0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁

3、率(H/m)。 0=410-7 H/m。,将(2)、(3)式代入(1)式, 考虑到一般导磁体的导磁率远大于 空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍), 即有,得,由上式可见, 若线圈匝数结构确定之后, 只要气隙长度和气隙截面S二者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 因此, 有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分。,则,下图是几种典型类型的自感传感器的结构示意图。,若将(4)式微分得到电感量的变化为：,（5）,可见, 测得电感量的变化L即可得知衔铁(即待 测物)位移的大小。,W,若S为常数，则L=（ ）即电感L是气隙长度的函数。则称为变气隙式自感传感器,2）变气隙式自感式传感器的输出特性分析

4、 L与成反比，具有非线性误差.,下面以变气隙长度的传感器为例加以分析这种传感器的输出特性.,衔铁在初始位置时:,当衔铁下移,这时的电感量为:,电感的变化量为:,可将上式展开成幂级数形式：,电感的相对变化量为:,可将上式展开成幂级数形式：,灵敏度,对上式作线性处理忽略高次项得：,同理若衔铁上移:,这时的电感量为:,电感的变化量为:,可将上式展开成幂级数形式：,对上式作线性处理忽略高次项得：,由上分析可以看出： 当作线性处理忽略高次项时, L才与成比例关系。 所以存在非线性误差，当然, /0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。这又会使传感器的量程变小。 所以, 对输出特性线性度的要求和对

5、测量范围的要求是相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取/0=0.1-0.2。因而只能用于微小位移的测量。,灵敏度,2. 变面积式电感传感器 同理，若保持为常数，则L=（ S）。这种传感器 由于结构限制，量程做得也不大，所以在工业中也 很少用。,三.差动式自感传感器的工作原理,1.概述: 由于变间隙式自感传感器存在非线性误差,所以在实际使用中，常采用差动变间隙自感传感器来改善非线性误差.如下图所示:当衔铁移动时，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。,两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构可以大大改善线性.,2. 原理分析:,1）由于二线圈结构完全对称,所

6、以在初始平衡位置时：,设衔铁下移：,因为不是单值函数，用泰勒级数展开:,将上式作线性化处理忽略高次项则：,结论:虽然上式中也存在一定的非线性,但由于在作线性化处理时；差动变隙式自感传感器忽略的高次项是,结论：差动变隙式自感传感器的灵敏度比变隙式自感传感器灵敏度提高一倍。,以上项,而变隙式自感传感器忽略的高次项是,以上项,所以线性度得到明显改善。,2）灵敏度为:,四. 自感式传感器的测量电路,1.等效电路: 实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC ；铁芯的涡流损耗电阻Re ；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数Z表示。,图3-4 等效电路

7、,2. 自感式传感器的测量电路,自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化,为了测量出电感量的变化,通常用的转换电路来实现。,1)交流电桥电路。 差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻R1、R2代替。,图3-5: 交流电桥,设初始平衡时： Z1= Z2= Z0 = R0+jL0； R1 = R2 = R0 ； L1= L2= L0 。,当偏离中间零点时：,可见，电桥输出电压与有关，由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。 2）变压器电桥电路,对差动变气隙式自感传感器：,变压器交

8、流电桥,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,电桥A点的电位为：,A,B,C点为正,D点为正,B点电位为,或,初始位置,衔铁下移,衔铁上移,若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则,由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。如下图所示：,4,3,2,1,-,1、2为两线圈的电感特性， 3为两线圈差接时的电感特性，图线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。,说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量有关，相位与衔铁的移动方向有关。,若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，相位差180。,变压器电桥与电阻平衡臂