1、第3章 变磁阻式传感器 3.1.1 3.1.1 基本自感式传感器基本自感式传感器 1.1.工作原理工作原理 基本变间隙自感式传感器基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔由线圈、铁芯和衔铁组成，结构如图铁组成，结构如图3.13.1所示。所示。电感式传感器又可分为变气隙长度的传感器电感式传感器又可分为变气隙长度的传感器和变气隙面积的传感器。前者常用于测量直线位和变气隙面积的传感器。前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。移，后者常用于测量角位移。2 2灵敏度灵敏度 变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较准确的。为了减小非线性误差，实际测量中比较准确的
2、。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。灵敏度广泛采用差动变间隙式电感传感器。灵敏度K为为202NSL图3.1 变间隙自感式传感器 001LLK第3章 变磁阻式传感器 3.1.2 3.1.2 差动变间隙式传感器差动变间隙式传感器 差动变间隙式电感传感器差动变间隙式电感传感器采用两个相同的采用两个相同的传感器共用一个衔铁组成。电感相对变化量的传感器共用一个衔铁组成。电感相对变化量的灵敏度灵敏度K为为 单线圈式和差动式两种变间隙式电感传感单线圈式和差动式两种变间隙式电感传感器的特性比较：器的特性比较：差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；差动式的非
3、线性项等于单线圈非线性项差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以因子，因为，所以，差动式的线性度得到乘以因子，因为，所以，差动式的线性度得到明显改善。明显改善。3.1.3 3.1.3 螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器 螺管型电感传感器螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化，线圈电感量的大小与衔电感量也因此而变化，线圈电感量的大小与衔铁位置有关。铁位置有关。002LLK图3.3 螺管型电感式传感器 图3.2 差动变间隙式电感传感器 第3章 变磁阻式传感器 3.1.4 3.1.4 测量
4、电路测量电路 1 1电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。K 称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵敏度。敏度。K的物理意义是：衔铁单位移动量引起的物理意义是：衔铁单位移动量引起的电桥输出电压的电桥输出电压。K值越大，灵敏度越高。值越大，灵敏度越高。2 2交流变压器式电桥交流变压器式电桥 衔铁上移时，衔铁上移时，衔铁下移时，衔铁下移时，由于输出由于输出Uo o是交流电压，输出指示无法判是交流电压，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。断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。图3.4 电
5、阻平衡臂电桥电路 1212oss121222ZZRZZUUUZZRZZ()()()K0U图3.5 变压器式交流电桥测量电路o22UZULUZLo22UZULUZL 第3章 变磁阻式传感器 3 3调幅电路调幅电路 当传感器线圈电当传感器线圈电量变化时，谐振曲线量变化时，谐振曲线将左右移动，工作点将左右移动，工作点就在同一频率的纵坐就在同一频率的纵坐标直线上移动（如移标直线上移动（如移至至B点），于是输出点），于是输出电压的幅值就发生相电压的幅值就发生相应的变化。应的变化。4 4调频电路调频电路 调频电路的基本调频电路的基本原理是传感器电感原理是传感器电感L变化将引起输出电压变化将引起输出电压频率
6、的变化。频率的变化。图3.7 调频电路 图3.6 谐振电路 第3章 变磁阻式传感器 3.2.1 3.2.1 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器 螺线管式差动变压器由一个初级线圈、螺线管式差动变压器由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。等组成。等效电路如图等效电路如图3.9所示，其中所示，其中U1、I1为初级为初级线圈激励电压与电流（频率为线圈激励电压与电流（频率为w w）；）；L1、R1为初级线圈电感与电阻；为初级线圈电感与电阻；M1、M2分别为初分别为初级线圈与次级线圈级线圈与次级线圈1、2间的互感；间的互感；L21、L22和和
7、R21、R22分别为两个次级线圈的电感和电分别为两个次级线圈的电感和电阻。阻。在负载开路情况下，输出电压为在负载开路情况下，输出电压为 由于在一定的范围内，互感的变化由于在一定的范围内，互感的变化 M与位移与位移x成正比，所以的变化与位移的变化成正比，所以的变化与位移的变化成正比成正比。图3.8 螺线管式差动变压器 图3.9 等效电路12112jjUUMRLww第3章 变磁阻式传感器 实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余
8、电零点残余电压压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。特性曲线如图理论特性不完全一致。特性曲线如图3.103.10所示。所示。图3.10 零点残余电动势 零点残余电动势使得传感器零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，为了减小零点残余电动势，可采用以下方法：可采用以下方法：尽可能保证传感器尺寸、尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。线圈电气参数和磁路对称。选用合适的测量电路。选用合适的测量电路。采用
9、补偿线路减小零点采用补偿线路减小零点残余电动势。残余电动势。第3章 变磁阻式传感器 3.2.2 3.2.2 变间隙式差动变压器传感器变间隙式差动变压器传感器 由差动变压器的特性可知，差动变压器由差动变压器的特性可知，差动变压器的输出与初级线圈对两个次级线圈的互感之的输出与初级线圈对两个次级线圈的互感之差有关。结构形式不同，互感的计算方法就差有关。结构形式不同，互感的计算方法就有所不同。有所不同。P P型差动变压器的输出特性为型差动变压器的输出特性为 输出电压输出电压Uo o与衔铁位移与衔铁位移 成比例。式中成比例。式中负号表明负号表明 向上为正时，输出电压与电源电向上为正时，输出电压与电源电压
10、反相；压反相；向下为负时，两者同相。向下为负时，两者同相。P P型差动变压器的灵敏度表达式为型差动变压器的灵敏度表达式为图3.11 变间隙式2o10NUUN o201UUNKN第3章 变磁阻式传感器 3.2.3 3.2.3 测量电路测量电路 1 1差动整流电路差动整流电路 图图3.123.12所示为典型的差动全波整流电所示为典型的差动全波整流电压输出电路。压输出电路。这种电路把差动变压器的两这种电路把差动变压器的两个次级输出电压分别全波整流，然后将整个次级输出电压分别全波整流，然后将整流电压的差值作为输出，电阻流电压的差值作为输出，电阻R R0 0用于调整零用于调整零点残余电压。点残余电压。图
11、图3.133.13所示为差动全波整流电压输出所示为差动全波整流电压输出波形波形。图3.12 差动整流电路图图3.13 差动整流波形第3章 变磁阻式传感器 2 2相敏检波电路相敏检波电路 u0处于正半周时，处于正半周时，VDVD2 2、VDVD3 3导通，导通，VDVD1 1、VDVD4 4截止，形成两条电流截止，形成两条电流通路，通路，等效电路如图等效电路如图3.15所示。所示。电流通路电流通路1 1为为 C CVDVD2 2B B R RL L 电流通路电流通路2 2为为 R RL L B BVDVD3 3D D图3.14 二极管相敏检波电路 01u22u22u01u02u22u22u02u
12、第3章 变磁阻式传感器 当当u2与与u0同处于负半周时，同处于负半周时，VDVD1 1、VDVD4 4导通，导通，VDVD2 2、VDVD3 3截止，同样有两条截止，同样有两条电流通路，等效电路如图电流通路，等效电路如图3.163.16所示。电流通路所示。电流通路1 1为为 R RL L ARVD ARVD1 1CC 电流通路电流通路2 2为为DRVDDRVD4 4A RA RL L 传感器衔铁上移传感器衔铁上移 传感器衔铁下移传感器衔铁下移 01u21u21u01u02u21u21u02u 图3.15 等效电路 图3.16 等效电路 L2L1L2R uunRR()L2L1L2R uunRR(
13、)第3章 变磁阻式传感器 3.3.1 3.3.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理 金属导体被置于变化着的磁场中，或在金属导体被置于变化着的磁场中，或在磁场中运动，导体内就会产生感应电流，该磁场中运动，导体内就会产生感应电流，该感应电流被称为电涡流或涡流，这种现象被感应电流被称为电涡流或涡流，这种现象被称为称为涡流效应涡流效应。一般地，线圈电感量的变化与导体的电一般地，线圈电感量的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数、导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数、激励电流频率，以及线圈与被测导体之间的激励电流频率，以及线圈与被测导体之间的距离有关。如果控制上述参数中的一个
14、参数距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则电感量就成改变，而其余参数恒定不变，则电感量就成为此参数的单值函数。如只改变线圈与金属为此参数的单值函数。如只改变线圈与金属导体间的距离，则电感量的变化即可反映出导体间的距离，则电感量的变化即可反映出这二者之间的距离大小变化。这二者之间的距离大小变化。图3.17 电涡流传感器的工作原理图第3章 变磁阻式传感器 3.3.2 3.3.2 电涡流传感器种类电涡流传感器种类 1 1高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性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
15、耦合程度的变化来耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。进行测量的。2 2低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 由于金属板中产生涡流的大小与金属板的厚度由于金属板中产生涡流的大小与金属板的厚度有关，金属板越厚，则板内产生的涡流越大，削弱有关，金属板越厚，则板内产生的涡流越大，削弱的磁力线越多，接收线圈中产生的电势也越小。因的磁力线越多，接收线圈中产生的电势也越小。因此，可根据接收线圈输出电压的大小，确定金属板此，可根据接收线圈输出电压的大小，确定金属板的厚度。的厚度。图3.18 高频反射式电涡流传感器图3.19 低频透射式电涡流传感器 第3章 变磁阻式传感器 3.3.3
16、 3.3.3 测量电路测量电路 1 1载波频率改变的调幅调频式载波频率改变的调幅调频式 测量电路由测量电路由3 3个部分组成：电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器。个部分组成：电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器。图3.20 调频调幅式测量电路 第3章 变磁阻式传感器 2 2调频式测量电路调频式测量电路 3 3电桥电路电桥电路图3.22 调频式测量电路 图3.23 电桥法原理图 第3章 变磁阻式传感器 3.4.1 3.4.1 自感式传感器的应用自感式传感器的应用 1 1压力测量压力测量 2 2位移测量位移测量 1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线图2.23 电阻丝应变片的基本结构 1引线；2线圈
17、；3衔铁；4测力弹簧；5导杆；6测端图3.25 电感测微仪原理框图 图3.24 变间隙式差动电感压力传感器第3章 变磁阻式传感器 3.4.2 3.4.2 变压器式传感器的应用变压器式传感器的应用 1 1加速度测量加速度测量 2 2压力测量压力测量 图3.26 差动变压器式加速度传感器原理图 1罩壳；2差动变压器；3插头；4膜盒；5接头；6衔铁 图3.27 差动变压器式压力传感器原理图 第3章 变磁阻式传感器 3.4.3 3.4.3 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 1 1测位移测位移 图3.29 主轴轴向位移测量原理图图3.29 主轴轴向位移测量原理图 第3章 变磁阻式传感器 2 2测
18、量转速测量转速 3 3探伤探伤 4 4测温测温 图3.30 转速测量 图3.31 用涡流探伤时的测试信号 图3.32 测温的电涡流式传感器60fnN10101()tt第3章 变磁阻式传感器 小 结 变磁阻式传感器利用被测量的变化使线圈电感量发生改变来实现测变磁阻式传感器利用被测量的变化使线圈电感量发生改变来实现测量的。它可分为自感式传感器、变压器式传感器、电涡流传感器等几种，量的。它可分为自感式传感器、变压器式传感器、电涡流传感器等几种，而前两种又统称为电感式传感器。而前两种又统称为电感式传感器。自感式变间隙传感器有基本变间隙传感器与差动变间隙式传感器。自感式变间隙传感器有基本变间隙传感器与差
19、动变间隙式传感器。两者相比，后者的灵敏度比前者的高一倍，且线性度得到明显改善。两者相比，后者的灵敏度比前者的高一倍，且线性度得到明显改善。变压器式传感器属于互感式传感器，把被测得的非电量转换为线圈变压器式传感器属于互感式传感器，把被测得的非电量转换为线圈间互感量的变化。差动变压器的结构形式有变隙式、变面积式和螺线管间互感量的变化。差动变压器的结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器。式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器。电涡流式传感器具有结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量范围电涡流式传感器具有结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强等优点，特别是电涡流式传感器可以实现非接触式测大，抗干扰能力强等优点，特别是电涡流式传感器可以实现非接触式测量。应用电涡流式传感器可实现多种物理量的测量，也可用于无损探伤。量。应用电涡流式传感器可实现多种物理量的测量，也可用于无损探伤。本章除介绍不同类型传感器的工作原理外，还介绍了针对不同传感本章除介绍不同类型传感器的工作原理外，还介绍了针对不同传感器的输出变量器的输出变量Z、Q、L的不同测量电路及各种传感器的应用。的不同测量电路及各种传感器的应用。返回目录返回目录
