2010-17-18变磁阻式传感器1

17-18学时第3章变阻抗式传感器原理与应用(1)1.自感式传感器的工作原理2.自感式传感器的输出特性分析3.自感式传感器的测量电路本学时主要讲解内容：工程测试技术一.概述变阻抗式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量的测量的一种传感器,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.它可以把位移,振动,压力,流量,比重等参数转换为线圈的自感系数L和互感系数M,再通过测量电路将L,M转换成电压或电流信号.电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f下面主要以自感式(变磁阻)传感器为例来加讲解.F220V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，电流变小F1.自感式传感器的工作原理自感式传感器是把被测量变化,转换成自感L的变化,通过一定的转换电路将其转换成电压或电流输出.主要是用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量,如振动,厚度,压力等。它的结构原理图如下图所示。AUI123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δ。被测物与衔铁相连,当被测物移动时通过衔铁引起空气隙δ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Φ(Wb),则根据电感定义，它的数学表达式如下:图3.1NLIW（1）根据磁路定理(2）式中,R1、R2和Rδ分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。1212112202llRRRSSS(3)式中,l1、l2和δ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),μ1、μ2和μ0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率(H/m)。μ0=4π×10-7H/m。12NIRRRw=WIRm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12RRR得由上式可见,若线圈匝数结构确定之后,只要气隙长度δ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。若S为常数，则L=ƒ（δ）即电感L是气隙长度δ的函数。则称为变气隙式自感传感器（4）202NSLW则Rm≈2δμ0Ѕ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ΔL即可得知衔铁(即待测物)位移的大小Δδ。2022NSLW2.自感式传感器的输出特性分析L与δ成反比，具有非线性误差.下面以变气隙长度δ的传感器为例加以分析这种传感器的输出特性.00220SWLδ线圈铁芯衔铁Δδ000221SWL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:000000220122LSWSWLLL000011LL电感的相对变化量为:数时，可将上式展开成级当10......LL30200000LL灵敏度000/1/)(LLk对上式作线性处理忽略高次项得：同理若衔铁上移:时0022220000022LSWSWLLL0这时的电感量为:00222SWL电感的变化量为:时，当10......LL3020002对上式作线性处理忽略高次项得：002LL由上分析可以看出：当作线性处理忽略高次项时,ΔL才与Δδ成比例关系。所以存在非线性误差，当然,Δδ/δ0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Δδ/δ0=0.1~0.2。因而只能用于微小位移的测量。灵敏度000/1/)(LLk3.变面积式电感传感器同理，若保持δ为常数，则L=ƒ（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.如下图所示:δ衔铁R1R2L2L1ACU0U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.下图是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3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。图3-3差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型432131412344（b）变面积型（c）螺管型2.原理分析:δ衔铁R1R2L2L1ACU0U由于二线圈结构完全对称,所以在初始平衡位置时：000020122SWLLL设衔铁下移：)(20012SWL)(20022SWL用泰勒级数展开:......LL32000011......LL30200021......253000012LLLL可见:上式中也存在一定的非线性,但不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。将上式作线性化处理忽略高次项则：)/(200LL......2530000012LLLLL灵敏度比不是差动结构提高一倍.000/2/)(LLk灵敏度为:差动变隙式传感器与变隙式传感器相比，具有下列优点：①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。②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30以上项,而变隙式自感传感器忽略的高次项是20以上项,所以线性度得到明显改善。③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。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ZCLRcRe2.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,常用的转换电路主要为调幅电路,调频电路,和调相电路.1)调幅电路:调幅电路的主要形式是交流电桥电路。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。ZLR1R2Z2Z10UACU图3-5:交流电桥设初始时Z1=Z2=Z0=R0+jωL0；R1=R2=R0；L1=L2=L0。000022LjRLjRUZZUUACAC值很高时：当自感线圈的品质因数0RLQ002LLUUAC对差动变气隙式电感传感器：002LL可见，电桥输出电压与Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。例如下图所示:00ACUU432175502505075100L/mHδ/mm100251234-ΔδΔδ1、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Δδ有关，相位与衔铁的移动方向有关。若设衔铁向上移动Δδ为负，则U0为负；衔铁向下移动Δδ为正，则U0为正，相位差180°。