变磁阻式传感器.

1第6章变磁阻式传感器电感式传感器差动变压器式传感器电涡流传感器2基础知识一：磁力(B)线的分布规律磁力线是一簇封闭的无头无尾的永不相交的曲线；磁力线总是趋向于走磁阻最小的路径；磁力线垂直穿出或进入导磁体表面；当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。3δ气隙磁通当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。4基础知识二：磁阻与磁导SlRFmF导磁体磁阻：l:磁路长度S:磁路横截面导体导磁率μF（10-3H/m量级）空气导磁率μ0=4π×10-7H/m亨利）磁导：(1mFRGSRm0空气磁阻：mFmRRF05基础知识三：等效磁路l1/A1l2/A2l3/A3Gδ1Gδ2Gδ32111GGG113113GGGGG磁路1和2并联：再和3串联：6线圈电感：由磁路欧姆定律，磁通定义为：IWILnimiRIW1其中：L:线圈电感；φ：磁通；W:线圈匝数；I:线圈电流；Rmi:第i段磁路磁阻磁链定义为：W串联回路磁势：niminiiminiiRRuWI111磁压降磁阻7概述•变磁阻式传感器：利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感L或互感M）变化来检测非电量的机电转换装置。按照工作原理分类：自感式：L变化差动变压器式：M变化电涡流式：L、M变化按结构分类：气隙式电感传感器（闭磁路结构形式）螺管式电感传感器（开磁路结构形式）8l2S2S1§6.1电感式传感器一、单电感传感器线圈铁芯衔铁δUsr问：加直流电和交流电时回路电流相同吗？910简单电感传感器的工作原理）（线圈的电感：HIWL•W:线圈的匝数I:线圈中的电流•Φ：磁路磁通RM:磁路总磁阻MRWIRslRiiiiMSR02MRWL2为何是2？11mFRR当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ或S均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。202SWL或GWRWL22121、变间隙简单电感传感器的输出特性向上移动：△δ0)(20021SWL)(00011LLLL20000001)(1/11LL向下移动：△δ0)(20022＋SWL)(00022LLLL20000002)(1/11＋LLδLδ0L0-△δ+△δ+△L1-△L213变间隙简单电感传感器的输出特性当有两个铁芯，并采用差动结构时：20000001)(1)/11(LL20000002)(1)/11(＋LL2000201)(12LLLL结论：灵敏度提高，非线性减小。14Conclusions:减小δ0，增大灵敏度。△L/L＝f(△δ）为非线性，而且当△δ/δ↑，非线性增大。非线性与测量范围相互制约，一般取△δ/δ=0.1～0.2，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。△δ↓与△δ↑引起的△L的变化大小不同，且△δ越大，两种情况对应的△L相差越大。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。特点:与变间隙电容相似。2000201)(12LLLL152、电感传感器的等效电路分析ReRhRcCL铜损电阻（Rc）;铁芯的涡流损耗电阻（Re）;磁滞损耗电阻（Rh）;寄生电容（C）.24dWlSLRcpcccLptRe26Lcp：每匝线圈平均长度；d：导线的直径。t：铁芯厚度；p：涡流穿透深度.Iet铁芯的横截面16不考虑寄生电容、磁滞损耗的等效电路：ReRcLL’Re‘Rc22''11eeeeeeRLLjLRRLjRLjRLjR12'LRRReee2)(11LRLLe由于涡流的作用，使得等效电感减小。分析讨论：17减小对L的影响的措施：减小铁损的具体办法：1）铁芯采用迭片式结构;2）采用电阻率大的铁氧材料.增大Re增大(Re/l)减小Re’Re’L’减小12'LRRReee2)(11LRLLe18考虑线圈间寄生电容C后的等效电路：L’CRe’RCCL’R’LPRPLReRCCLReRC''eCRRR''RLQ19考虑线圈间寄生电容C后的等效电路：''eCRRRCjLjRCjLjRZp1)()1)((''RLQ线圈的等效阻抗为：CL’R’22222222222)()1()()1()()1(QCLCLQCLCLLjQCLCLRZp20)1()1(222CLLjCLRZp211QRLQ忽略22222222222)()1()()1()()1(QCLCLQCLCLLjQCLCLRZpCL’R’LPRPppLjR21Conclusions：寄生电容C使得等效电阻和等效电感增加；在实际的测量中，若改变电缆引线的长度，即改变了寄生电容C（主要是电缆电容）的大小，则电感传感器有效电感发生变化，灵敏度也将发生变化。需要重新校准。有效灵敏度品质因素QCLRLQppp)1(2LLdCLLdLpp)1(12223、简单电感传感器的测量线路242222)1()(mmFsrsrRRWRULRUI＝SWUIsr20220422/21SRWRUImFsrmFmmFRRRRLR,,,忽略LjRUZUIsrsr23Discussion：δ≈0时，磁阻RmF相对较大，不能忽略，所以有一定的起始电流。IδImInI0δ020422)/21(SRWRUImFsr2WRUImFsrnRUIsrmδ↑↑，电阻R相对较大，不能忽略，存在Im。该电路不适于高精度测量，没有相敏解调功能。SWUIsr02224小气隙电感传感器与小气隙电容传感器的比较相同或相似之处：公式表示形式、非线性分析、差动结构等；电容器有电场边界问题，电感有磁场边界问题；适合测量较小位移量。不同之处：电容阻抗值大，抗干扰能力差；电感阻抗值小，抗干扰能力强；电容激励频率很高；电感激励频率低；电感输出信号含高次谐波，零位不稳定；由于结构、质量等原因，电容传感器的动态响应频率高于电感传感器。25电感传感器的特点优点：结构简单，可靠性好；分辩率较高，能测量很小的机械位移和感受很小的转角位移变化；传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大，一般每毫米的变化可达数百毫伏的输出；线性特性较好，性能较稳定；能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。缺点：存在变化的交流零位信号；不适合高频动态信号的测量。26电感式传感器的应用电感式传感器直接用于测量小位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。27应用：电感式压力传感器线圈铁芯衔铁波纹管PU～A2829变面积式电感传感器气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器。自感L与S成线性关系，这种传感器灵敏度较低。202SWL30螺管式电感传感器螺管型电感传感器工作原理是基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。线圈电感量与衔铁插入深度有关。当铁芯在线圈中运动时，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、可靠，灵敏度较低，可以用于较大位移量程的测量。31螺管式电感传感器分析要点：1.主磁通由于气隙大而基本不变；2.侧向漏磁通随衔铁插入深度而增加；3.灵敏度随插入深度增加而增加。侧向漏磁通主磁通导磁套筒！！32应用：电感式传感器测液位33单电感传感器总结自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制做装配比较困难.变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大.螺管型灵敏度适中,量程大且结构简单，易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器.34二、差动式电感传感器－E型1、结构特点：两只对称的单电感传感器合用一个活动衔铁;上、下两个铁芯几何尺寸、形状、材料相同;两个线圈匝数相同；初始状态下，上、下两个的线圈电气参数（R、L）相同。UsrUscδ1δ2352、工作原理0210201向下移动：021scULL021scULL0201向上移动：当衔铁有位移变化时，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。起始衔铁处于中间位置：UsrUscδ1δ2021LLL0scU363、E型差动电感传感器接入电桥的输出特性srscUZZZZZZZZU))((4321324104302010RZZLjRZZZC10101LjZZZZ20202LjZZZZ初始状态:有位移状态:Z1Z2Z3Z4UsrABCD372221021srscUZZZZZU300021)(2LLL0002LjRLjUUcsrsc)(4210LLZjUsrZ1Z2Z3Z4UsrABCD002L021)(4LjRLLjUcsr38L0+△δ-△δLδ0L2=f(δ)L1=f(δ)差动式与简单式电感传感器的非线性比较0Conclusions:1)差动传感器特性曲线斜率增大，表示灵敏度提高；2）理论特性曲线的电压输出过零点，减小了零位输出；3）线性度得到提高。进一步分析!△L2△L1△L1△L2390202202022LRRLjLUccsr020220112LRLRjUccsr令：cRLQ00211112QQjUUsrscConclusions:输出包含与电源同相和正交的两个分量。增大Q值可以减小正交分量。0002LjRLjUUcsrsc40kUUsrsc021Q当：理想过零点线性度高相位反相41UsrUsc差动式螺管型电感传感器较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围大（数十mm），分辨率较高（μm级）。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随磁芯位移而变化。42差动式电感传感器的优点总结：改善非线性；提高灵敏度；两组线圈互为补偿，所以受环境（温度、电源波动、电磁场干扰）影响小；由于对称结构，衔铁受两个线圈的电磁吸力大小相当，方向相反，可以相互抵消；零位电压小。43三、误差分析电源电压波动（幅值、频率）影响：