变磁阻式传感器1.ppt

1、传感技术与智能仪器 Sensing Technology and Intelligent Instrument,朱启兵 ,传感技术与智能仪器,第3章变磁阻式传感器,一、概述 二、自感式传感器 三、互感式传感器 四、电涡流式传感器,第3章变磁阻式传感器,一、概述,按转化机理的不同,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。,感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。,第3章变磁阻式传感器,二、自感式传感器,按磁路几何参数变化形式：变间隙型、变面积型和螺管型。 按组成方式： 单一型 、 差动型,第3章变磁阻式传感器,二、自感式传感器,（1）变间

2、隙式,（2）变面积式,特点：非线性， 灵敏度随气隙增加而减小，,（3）螺管型电感式传感器,第3章变磁阻式传感器,设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为,第3章变磁阻式传感器,（4）差动型电感式传感器,差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。 差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,第3章变磁阻式传感器,变气隙式差动型电感式传

3、感器性能改善,第3章变磁阻式传感器,（5）自感式传感器测量电路,（a)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C表示。,第3章变磁阻式传感器,（5）自感式传感器测量电路,（b)交流电桥,电阻平衡臂交流电桥,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。,设初始时 Z1= Z2= Z = RS+jL； R1 = R2 = R； L1= L2= L0 。,电桥输出电压与有关，相位与衔铁移动方向有

4、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。,第3章变磁阻式传感器,（5）自感式传感器测量电路,（b)交流电桥,L/mH,第3章变磁阻式传感器,（5）自感式传感器测量电路,（b)交流电桥,平衡臂为变压器的两个二次侧绕组,若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180 为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位， 要在后续电路中配置相敏检波器来解决,第3章变磁阻式传感器,（5）自感式传感器测量电路,（c)相敏检波电桥,第3章变磁阻式传感器,（6）自感式传感器误差,非线性误差，解决办法：差动结构与限制测量范围,当

5、差动自感式传感器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，在零点仍有一个微小的电压值(称为零点残余电压。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（零位误差）,E,2,E,2,E,0,x,0,.,第3章变磁阻式传感器,残余电压（零位误差）,高次谐波 高次谐波分量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，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次

6、谐波成分。再有就是电磁干扰,产生原因?,第3章变磁阻式传感器,第3章变磁阻式传感器,解决办法？,从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,选用合适的测量线路,采用补偿线路,第3章变磁阻式传感器,环境温度对自感传感器的影响主要通过： 材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化； 材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化； 磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质

7、温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。 采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响,环境温度的影响,激励电压幅值与频率的影响 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，会导致品质系数的改变，只要适当地选择频率，其影响不大。,第3章变磁阻式传感器,1.工作原理与结构,(二)互感式传感器,互感式传感器是将被测量的物理量 (如：力、位移等)转换成互感系数的传感器 基本原理、结构与常用变压器类似 亦称为变压器式传感器,第3章变磁阻式传感器,1.工作原理与结构,线圈1为原边线圈 线圈2为副边

8、线圈 由变压器原理可知： 当原边通过交变电流 i1时 在磁通全回路上的磁通存在交变变化 在副边上可感生的感应电势E21为：,式中：E21副边感应电势向量； I1原边交变电流向量； 工作交变电流角频率； M 互感系数。,互感式传感器的基本原理结构,第3章变磁阻式传感器,在原边线圈上还存在自感L1，故：,式中：E1 原边交变电势相量； R1 原边线圈的电阻。,表明： 若原边所施加的电势E1 、工作频率、原边线圈参数等确定 副边感生电势E21是互感系数 M 的单值函数,第3章变磁阻式传感器,互感系数 M 反映了两线圈的耦合程度 它是原边与副边线圈匝数、长度、相互位置以及磁路磁阻等因素的函数 任一参数

9、变化均可改变互感 M，从而改变感应电势 E21 测量感应电势 E21 的变化，就可以测量各参数的变化 互感式传感器可以直接导出电压输出，可方便测量,次级线圈采用单线圈具有一个明显的缺点， 即：被测物理量无变化，次级线圈仍有感应电势 为了维持零位参数输出为零，需在后续电路中给予补偿或抵消 解决这一问题的最佳方案是采用差动式结构 即：差动变压器型的电感传感器,第3章变磁阻式传感器,(e)、(f) 变面积式差动变压器,(a)、(b) 变隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,第3章变磁阻式传感器,当次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,由于次级绕组反向串接，故差动

10、变压器输出电压为,其有效值为, 铁芯处于中间位置时，M1 = M2 = M，U0 = 0 铁芯上升时，M1= M +M，M2= M -M, 铁芯下降时，M1 = M -M，M2 = M +M,第3章变磁阻式传感器,e21,e22,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,差动变压器输出特性,第3章变磁阻式传感器,3.差动变压器测量电路,两个目的： 辨别移动方向 消除零点残余电压 两种方法： 差动整流电路 相敏检波电路,第3章变磁阻式传感器,3.差动变压器测量电路,第3章变磁阻式传感器,差动整流电路,3.差动变压器测量电路,电阻R1上的电流总是从c到d R2上的电

11、流总是从g到h,第3章变磁阻式传感器,二级管相敏检波电路,3.差动变压器测量电路,第3章变磁阻式传感器,差动变压器互感传感元件的性能及改善,由右图特性曲线可见： 差动变压器在一定范围内工作具有较好的线性，但超过此范围，线性度迅速恶化 改善这一性能的关键 扩大使磁场均匀的范围,(1) 线性工作段,第3章变磁阻式传感器,2.差动变压器互感传感元件的性能及改善,灵敏度是指衔铁移动单位位移时所产生的输出电势变化(mV/mm) 使用中取单位激励电压、单位位移所产生的输出电势变化(mV/mmV) 选定结构参数，由上式可见： 初级电压E1愈高，则输出E2愈大，提高初级电压可以提高灵敏度 但初级电压过大会引起

12、变压器线圈发热，造成输出信号漂移 激励电源频率影响： 激励电源频率过低LR1，E2-j (e1/R1) 2M，灵敏度随变化 当增加使LR1，则E2-j(E1/L1)M，灵敏度与无关 当过大时，导线的集肤效应使有效阻值增加，高频时的涡流损耗和磁滞损耗均增加，从而使输出值减小，降低了灵敏度,工作时应选取合适的激励频率,(2) 灵敏度,第3章变磁阻式传感器,4.应用,位移与尺寸测量 压力测量 力和力矩测量 振动测量 (5)其它应用,第3章变磁阻式传感器,4.应用,第3章变磁阻式传感器,4.应用,第3章变磁阻式传感器,4.应用,第3章变磁阻式传感器,4.应用,第3章变磁阻式传感器,4.应用,第3章变磁

13、阻式传感器,4.应用,第3章变磁阻式传感器,四、电涡流式传感器,电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。 电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。 电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强，特别是有非接触测量的优点，,1. 工作原理,涡流效应：当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应,第3章变磁阻式传感器,这一

14、等效阻抗由虚、实两部分组成： 实部，即：等效电阻部分与无次级边时相比有所增大 虚部，即：等效电感部分较之空载时趋于减少 增加和减小的程度取决于次级线圈的电阻，电感、激励电流频率和两线圈之间的互感系数 这些参数取决于次级线圈，即： 被测金属材料的电阻率、导磁率和初次级线圈间的距离等参数 总等效阻抗是以上各参数的函数，即：,第3章变磁阻式传感器,2. 结构类型,电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。 为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。,1）高频反射式,第3章变磁阻式传感器,2）低频透射式电涡流传感器,第3章变磁阻式传感器,3. 测量电路,1）电桥电路,电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中线圈A和B为传感器线圈。传感器