自动检测与转换技术-第三章.

自动检测与转换技术物理及电子工程学院杨恒Tel:15086622232E-mail:[e-mail]第3章变磁阻式传感器第三章变磁阻式传感器•3.1自感式传感器•3.2变压器式传感器•3.3电涡流式传感器变磁阻式的原理•变磁阻式传感器是利用被测量的变化使线圈电感量发生改变这一物理现象实现测量的。•变磁阻式传感器分为自感式传感器、变压器式传感器、电涡流传感器，其中自感式传感器、互感式传感器统称为电感式传感器。•变磁阻式传感器测量物理量主要有：压力、位移、加速度、转速、探伤、测温、厚度等。•3.1自感式传感器•自感式传感器主要有基本自感式传感器、差动变间隙式传感器、螺管型电感式传感器•3.1.1基本自感式传感器•1.工作原理•基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，结构如图3.1所示。•工作原理：工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气间隙的长度变化，由于气隙磁阻的变化，导致线圈电感量的变化，从而达到测量目的。••P53图3.1变间隙自感式传感器•补充：1）线圈电感量的计算：L=N2/Rm•Rm=2δ/(μ0S)•μ0=4π×10-7H/m为空气磁导率•L=N2×μ0S/2δ•N为线圈匝数•Rm为磁路总磁阻，由铁芯、衔铁、空气间隙三部分的磁阻组成,但铁芯、衔铁磁阻很小，主要由空气间隙部分的磁阻构成。•δ（Δ）为空气间隙长度•S为铁芯与衔铁之间的空气间隙的相对面积•3）线圈品质因素Q：表示线圈质量的一个物理量，为感抗XL与其等效电阻的比值。•Q=XL/Rc=ω·L/Rc=2πfL/Rc•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移，后者常用于测量角位移。•2．灵敏度•变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较准确的。•设传感器的初始间隙长度为δ0，面积为S0，当衔铁上移Δδ时，传感器气隙长度减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感为：•00000201)(2LSNLLL按泰勒级数展开成级数形式，时得:灵敏度K为•δ0初始间隙越小，灵敏度越高；但δ0越小，Δδ/δ01不易满足，线形度差。•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。1000LL0001LLK•3.1.2差动变间隙式传感器差动变间隙式电感传感器采用两个相同的传感器共用一个衔铁组成。电感相对变化量的灵敏度K为P54图3.2差动变间隙式电感传感器00002122LLKLLLL•单线圈式和差动式两种变间隙式电感传感器的特性比较：•优点有：•A差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；•B差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以因子，所以，差动式的线性度得到明显改善；•C温度变化，电源波动，外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；•D电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。•缺点有：•A非线形严重，为了限制非线形误差，示值范围只能很小；•B它的自由行程小，因衔铁在运动方向上受到铁芯限制；•C制造装配困难。3.1.3螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器由线圈、衔铁和磁性导筒组成，灵敏度较低，但量程大，结构简单，易于制作和批量生产，是目前使用最广泛的一种电感式传感器。螺管型电感式传感器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，线圈电感量也因此而变化，线圈电感量的大小与衔铁位置有关。P55图3.3螺管型电感式传感器P55图3.3螺管型电感式传感器l为线圈长度，r为线圈平均半径N为线圈匝数，x为衔铁进入线圈的长度ra为衔铁的半径，μm为铁芯的有效磁导率]2axr1)m(μ2[lr2l2N2π4L3.1.4测量电路有交流电桥式、交流变压器式、谐振式，其中交流电桥式是电感式传感器的主要测量电路。把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻桥臂用纯电阻代替，即Z3=Z4=R；其作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。P55图3.4电阻平衡臂电桥电路sUZZZZZZU)(4223110当衔铁在中间位置时，电桥平衡，Z1=Z2=Z0=JωL0Z1-Z2=0当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不等，两只电感线圈一增一减，电桥失去平衡。0000022ssULLUULLKUUKs0012K称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵敏度。K的物理意义是：衔铁单位移动量引起的电桥输出电压。K值越大，灵敏度越高。从上式中看出：A.K值与电桥的电源电压Us、初始气隙δ0有关，提高电桥的电压、减小初始气隙，可以提高灵敏度。B.电桥输出电压的幅值大小衔铁移动量的大小成比例，其相位则与衔铁的移动方向有关。假定向上移动时输出电压为正，则向下移动时相位将反向1800为负。测量出电压的大小和相位，就确定衔铁位移量的大小和方向。交流变压器式电桥U0=U·Z1/(Z1+Z2)-U/2=U·(Z1-Z2)/(Z1+Z2)传感器衔铁在中间位置时，Z1=Z2=Z，U0=0传感器衔铁偏离中间位置时：P56图3.5变压器式交流电桥测量电路衔铁上移时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZU0=U/2*△L/2衔铁下移时，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZU0=-U/2*△L/2由于输出Uo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。3.调幅电路Z为传感器线圈，E为激励电源。当传感器线圈电感量发生变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在激励电源频率的纵坐标直线上移动（如A移至B点），于是输出电压的幅值就发生相应的变化，这种电路灵敏度很高，但非线形严重，常与单线圈自感式传感器配合，用于测量范围小或线形度要求不高的场合。P57图3.6谐振电路4.调频电路L为传感器电感，C为电容，共同接入一个振荡回路中。调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化，根据f的大小即可测出被测量的值。•P57图3.7调频电路•3.2变压器式传感器•变压器式传感器，也叫差动变压器式传感器，它是根据变压器基本原理，把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化。•变压器式传感器与变压器的区别是：•变压器为闭合磁路，而变压器式传感器为开磁路；•变压器初、次级线圈间的互感为常数，而变压器式传感器初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。•变压器式传感器结构形式很多，主要有变间隙式、变面积式和螺线管式，其中螺线管式传感器使用最多，测量范围为1—100mm，其特点是测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠。•3.2.1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、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。•等效电路如图3.9所示，其中U1、I1为初级线圈激励电压与电流（频率为w）；L1、R1为初级线圈电感与电阻；M1、M2分别为初级线圈与次级线圈1、2间的互感；L21、L22和R21、R22分别为两个次级•在负载开路情况下，输出电压为••U2=2jw△M*U1/(R1+jwL1)••P49图3.8螺线管式差动变压器P49图3.9等效电路•由于在一定的范围内，互感的变化ΔM与位移x成正比，所以U2的变化与位移的变化成正比。•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零点残余电压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。特性曲线如图3.10所示。•P50图3.10零点残余电动势•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，为测量带来误差。•零点残余电压产生的原因：•差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能完全对称；•传感器具有铁损即磁化曲线的非线形；•电源电压中含有高次谐波；•线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容。•为了减小零点残余电动势，可采用以下方法：•1.尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。•2.减小电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。•3.注意利用外壳进行电磁屏蔽；•4.采用补偿电路：A串联电阻消除零位电压；B并联电阻消除高次谐波零位电压；C并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。•3.2.2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，互感的计算方法就有所不同。π型差动变压器的输出特性为•U0=-U*N2*△δ/(N1*δ0)•P50图3.11变间隙式•输出电压Uo与衔铁位移Δδ成比例。式中负号表明Δδ向上为正时，输出电压与电源电压反相；Δδ向下为负时，两者同相。•π型差动变压器传感器的灵敏度表达式为•K=U0/Δδ=U*N2/δ0*N1•从上式看出：传感器的灵敏度随电源电压U的增大而提高，但U过大，易造成传感器发热而影响稳定性，还可能出现磁饱和；增加次级匝数N2可提高灵敏度，但N2过大，会使传感器体积变大，且使零位电压增大。•3.2.3测量电路•1．差动整流电路P51•图3.12所示为典型的差动全波整流电压输出电路。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，然后将整流电压的差值作为输出，电阻R0用于调整零点残余电压。•图3.13所示为差动全波整流电压输出波形。•P51图3.12差动整流电路图•P51图3.13差动整流波形•A当衔铁在零位时，Uab=Ucd•U12=U34U0=U12-U34=0•B当衔铁向上移动时，Uab＞Ucd•U12＞U34U0=U12-U34＞0•C当衔铁向下移动时，Uab＜Ucd•U12＜U34U0=U12-U34＜0•衔铁在移动方向的位移越大，U0的输出电压越大；U0的大小反映位移的大小，U0的正负反映位移的方向。2．相敏检波电路P52•P52图3.14二极管相敏检波电路•u0与u1同频同相，u2为传感器输出电压。u0为调制电压，u0，u2均由u1供电。•相敏检波电路工作原理如下：•1）传感器衔铁上移时，Δx＞0,u2与u1同相：•u0处于正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，形成两条电流通路，等效电路如图3.15所示。电流通路1为•u01→C→VD2→B→u22+→u22-→RL→u01-•电流通路2为•u02+→RL→u21+→u21-→B→VD3→D→u02-•当u2与u0同处于负半周时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，同样有两条电流通路，等效电路如图3.16所示。电流通路1为•u01+→RL→u21+→u21-→A→R→VD1→C→u01-•电流通路2为•u02+→D→R→VD4→A→u21-→u21+→RL→u02-•P52图3.15等效电路P52图3.16等效电路•u01与u02是由同一变压器提供且大小相等，所产生电流互相抵消，所以，负载RL中电压由u21、u22决定。传感器衔铁上移•uL=RL*u2/n1(R+2RL)•2）传感器衔铁下移时，Δx＜0,u2与u1反相：•传感器衔铁下移•uL=-RL*u2/n1(R+2RL•3.3电涡流传感器•3.3.1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，这种现象被称为涡流效应。•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、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参数改变，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。•P53图3.17电涡流传感器的工作原理•3.3.2电涡流传感器种类•1．高频反射式电涡流传感器•由一个扁平线圈固定在框架上构成。•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。•被测物体的电导率越高，灵敏度也越高；磁导率则相反，当被测物体有剩磁将影响测量结果，因此应予消磁。•被测体的大小与形