☆变磁阻式传感器

1自动检测技术与仪表变磁阻式传感器1、电感式传感器2、变压器式传感器3、电渦流式传感器变磁阻式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的。它可以把输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电能量输出。2自动检测技术与仪表变磁阻式传感器的特点：结构简单：工作中没有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长；灵敏度高分辩力大：能测出0.01μm甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1″的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大；重复性好线性度优良：在一定位移范围（最小几十微米，最大达数十甚至数百毫米）内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0.1%。缺点：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。3自动检测技术与仪表第一节电感式传感器一、工作原理L——线圈自感量；Ψ——线圈总磁链，单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。a)气隙型b)截面型c)螺管型mRWIWIL24自动检测技术与仪表μ1、μ2——铁芯材料的导磁率；L1、L2——磁通通过铁芯的长度；S1、S2——铁芯的截面积；μ0——空气的导磁率；S0——气隙的截面积；δ——气隙的厚度。002121112SSLSLRm气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻：002SRm20022SwRLm可得变气隙型传感器变截面型传感器1fLSfL25自动检测技术与仪表二、电感式传感器输出特性LLL00当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移Δδ时，则有得到000202sWL00000201)(2LsWLLL6自动检测技术与仪表当Δδ/δ01时，00LL灵敏度为0001/LLk由上可见，变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。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。7自动检测技术与仪表差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁4020002112LLLL当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL28自动检测技术与仪表进行线性处理忽略高次项得002LL灵敏度k0为0002/LLk（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以(Δδ/δ0)因子，因为(Δδ/δ0)1，所以，差动式的线性度得到明显改善。因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。9自动检测技术与仪表交流变压器电路输出电压衔铁偏离中间零点时u0z2z1u/2u/2三、测量电路22)(21212110UZZZZUUZZZUZZZZZZ21,LLUZZUU220ZZZZZZ21,LLUZZUU220衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于U0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。10自动检测技术与仪表第二节差动变压器式传感器差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。1、变隙式2、变面积式3、螺线管式11自动检测技术与仪表第二节差动变压器式传感器(a)、(b)变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器(e)、(f)变面积式差动变压器12自动检测技术与仪表一、工作原理１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组1、活动衔铁处于初始平衡位置时，U2=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零；2、当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，U2也必将随x变化。U2=E2a-E2b≠013自动检测技术与仪表差动变压器输出电压特性曲线14自动检测技术与仪表二、基本特性当次级开路时，初级线圈激励电流为1111LjrUI则次级绕组中感应电势为112IMjEa122IMjEb次级两绕组反相串联，则11121222LjrUMMjEEUba21211212LrUMMU输出电压有效值15自动检测技术与仪表1、基本特性分析：（1）当活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M则U2=0（2）当活动衔铁向W2a方向移动时M1=M+ΔM,M2=M-ΔM故（3）当活动衔铁向W2b方向移动时M1=M-ΔM，M2=M+ΔM故2121122LrMUU2121122LrMUU16自动检测技术与仪表2、零点残余电压及消除方法零点残余电压的危害：（1）零点残余电压使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。（2）零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。减小零点残余电压的措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。17自动检测技术与仪表三、测量转换电路差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。18自动检测技术与仪表（1）差动整流电路(c)半波电流输出(d)全波电流输出（适用于低阻抗负载）电阻R0用于调整零点残余电压(a)半波电压输出(b)全波电压输出（适用于高阻抗负载）19自动检测技术与仪表（2）相敏检波电路20自动检测技术与仪表相敏检波电路波形(a)被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形21自动检测技术与仪表第三节电涡流式传感器当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内引起感应电流，此电流在导体内闭合，称为涡流。一、基本原理线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感22自动检测技术与仪表等效电路022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR222222221LRMLLL线圈的等效电感为23自动检测技术与仪表二、传感器的结构1.线圈2.框架3．框架衬套4．支架5．电缆6．插头1、高频反射式涡流传感器由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。24自动检测技术与仪表电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等25自动检测技术与仪表2、低频透射式涡流传感器透射式涡流传感器原理线圈感应电势与厚度关系曲线26自动检测技术与仪表由图可见，f较低时（即t较大），线性较好。因此f应选择较低的频率（通常用1kHz左右）。同时，h较小时，t3曲线（f较高）的斜率较大。因此：测薄板时应选较高的频率，测厚板时则选较低的频率。27自动检测技术与仪表三、测量电路根据电涡流式传感器的工作原理，针对被测参可以转换为线圈电感、阻抗或Q值的三种参数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。Q值测试电路较少采用，电桥电路在前面已作了较详细的阐述。本节主要介绍谐振电路。其基本原理是将传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路，谐振频率f=1/(2π)；谐振时回路阻抗最大，为，其中为回路等效损耗电阻。当电感L变化时，f和Z0都随之变化，因此通过测量回路阻抗或谐振频率即可获得被测值。目前电涡流式传感器所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。)/(0CRLZRLC28自动检测技术与仪表定频调幅式:在无被测导体时，由传感器线圈L与电容C构成并联谐振回路，调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大。当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙（位移）成近似线性关系。由于输出电压的频率f0始终恒定，因此称定频调幅式。变频调幅式:将传感器线圈L直接接入电容三点式振荡回路，当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。调频式:调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路；所不同的是，以振荡频率的变化作为输出信号。29自动检测技术与仪表第四节变磁阻式传感器的应用变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器1.压力测量30自动检测技术与仪表差动变压器微压力传感器结构图1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计31自动检测技术与仪表2.力和力矩的测量1－线圈2－衔铁3－弹性元件优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。32自动检测技术与仪表3.加速度测量1－悬臂梁；2－差动变压器33自动检测技术与仪表电涡流式位移传感器(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图4.位移的测量（1）34自动检测技术与仪表4.位移的测量（1）偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动电涡流式位移传感器35自动检测技术与仪表4.位移的测量（1）测量金属薄膜、板材厚度电涡流式位移传感器36自动检测技术与仪表4.位移的测量（1）测量尺寸、公差及零件识别电涡流式位移传感器37自动检测技术与仪表4.位移的测量（1）测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小电涡流式位移传感器38自动检测技术与仪表4.位移的测量（1）间距电涡流式位移传感器测量注塑机开合模的间隙39自动检测技术与仪表1－测端2－防尘罩3－轴套4－圆片簧5－测杆6－磁筒7－磁芯8－线圈9－弹簧10－导线差动变压器式位移传感器4.位移的测量（2）40自动检测技术与仪表4.位移的测量（3）感应同步器感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成，如图所示。定尺滑尺41自动检测技术与仪表4.位移的测量（3）感应同步器旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成定子转子42自动检测技术与仪表4.位移的测量（3）感应同步器在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90°相角，故又称为正弦、余弦绕组。工作时在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。43自动检测技术与仪表电感式滚柱直径分选装置1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗）44自动检测技术与仪表电感式滚柱直径分选装置滑道