第4章变磁阻式传感器

1、第3章 变磁阻式传感器 3.1 自感式传感器自感式传感器 3.2 差分变压器式传感器差分变压器式传感器3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 变磁阻式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量 分为自感式、差分变压器式、涡流式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好3.1 自感式传感器自感式传感器一、一、 工作原理工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，

2、因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 图3 1 自感式传感器 S1l1L1W23l21线圈；2铁芯(定铁芯)；3衔铁(动铁芯)S2先看一个实验：先看一个实验： 将一只将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心会发现毫安表的读数逐渐

3、减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。安。 电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V准备工作准备工作电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F 气隙很小，可以认为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。气隙中的磁场是均匀的。 若忽若忽略磁路磁损，略磁路磁损， 则则磁路总磁阻磁路总磁阻为为 ：002221112SSlSlRm（3-1） 通常通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即即 22

4、2001110022SlSSlS则： 002SRm可得： （3-2） 20 2NAL 上式表明：当线圈匝数为常数时，电感上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁仅仅是磁路中磁阻路中磁阻Rm的函数，改变的函数，改变或或S0均可导致电感变化，因均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度变气隙厚度的传感器和的传感器和变变气隙面积气隙面积S0的传的传感器。感器。 目前使用最广泛的是目前使用最广泛的是变气隙厚度式变气隙厚度式电感传感器。电感传感器。 （一）（一） 变间隙型变间隙型L与与之间是之间是非线性非线性关系，关系， 特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。变隙式

5、的L-特性曲线2002ANL 灵敏度灵敏度为：为： 0001LLK可见：可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾矛盾，因此变隙式电感式传感器，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移适用于测量微小位移的场合。的场合。 （二）变面积型（二）变面积型变面积型变面积型（三）螺管型（三）螺管型（四）差分式电感传感器（四）差分式电感传感器 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、 线性度线性度有何变化有何变化曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为差动特性为差动特性 在变隙式差动电感传感器中，当在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而

6、偏离中间位衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。加，一个减小，形成差动形式。 1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。 二、二、 测量电路测量电路 电感式传感器的测量电路有电感式传感器的测量电路有交流电桥交流电桥式、式、 变压器变压器式交式交流电桥以及流电桥以及谐振式谐振

7、式等。等。 从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 1. 电阻平衡电桥电阻平衡电桥 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和和Z2，另，另外两个相邻的桥臂用纯电阻外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设代替。设Z1=Z+Z1, Z2=ZZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗， Z1

8、, Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于差分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于差动式电感传感器，动式电感传感器， 有有Z1+Z2j(L1+L2)， 则电桥输出则电桥输出电压为：电压为： 1212()2(Z )2ZoZZUUULLZ (3-4) Z1Z2Z3 RZ4 RoUU1012ZRUUZZRR1212()2(Z )2ZoZZUUULLZ 2. 变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图4-6所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压 2211212122oZZZ

9、 UUUUZZZZ(3-6) 当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ， 电桥平衡。 0oUUC2U2UZ1Z2oUABD图3-5 变压器式交流电桥当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ， 22ULLUZZUo当传感器衔铁下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此时 22ULLUZZUo可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 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。 U三、自感式传感器的应用三、自感式传感器的应用 一、位移测量位移测量 轴向式电感轴向式电感 测微器测微器航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头其他电感

10、测微头其他电感测微头轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 实例：电感式滚柱直径分选装置实例：电感式滚柱直径分选装置 滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测电感测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限

11、位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置（外形）（外形） 滑道滑道分选仓位分选仓位轴承滚子外形轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）（参考中原量仪股份有限公司资料）实例：电感传感器在仿形铣床中的应用实例：电感传感器在仿形铣床中的应用 1 1标准靠模样板标准靠模样板 2 2测端（靠模轮）测端（靠模轮） 3 3电感测微器电感测微器 4 4铣刀龙门框架铣刀龙门框架 5 5立柱立柱 6 6伺服电动机伺服电动机 7 7铣刀铣刀 8 8毛坯毛坯 仿形铣床外形

12、仿形铣床外形仿形机床仿形机床采用采用 闭环工作方式闭环工作方式仿形头仿形头主主轴轴实例：仿形车床原理实例：仿形车床原理实例：电感式不圆度计原理实例：电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘旋转盘测量测量头头不圆度测量打印不圆度测量打印实例：电感式轮廓仪实例：电感式轮廓仪 旁向式电感旁向式电感 测微测微头头实例：自感式传感器在粗糙度测量中的应用实例：自感式传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪手持式粗糙度仪 触针触针: : 金刚石圆

13、锥；金刚石圆锥；针尖圆弧半径：针尖圆弧半径：5m5m；可存储可存储500500个粗糙度参数值及个粗糙度参数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打印；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；粗糙度仪外形粗糙度仪外形金刚石测头金刚石测头粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（1）粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（2）3.2 差分变压器式传感器差分变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。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形式连接，

14、 故称差分变压器式传感器。在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1100mm 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。 一、工作原理一、工作原理 差分变压器结构 5461231活动衔铁；2导磁外壳；3骨架；4匝数为W1的初级绕组；5匝数为W2a的次级绕组；6匝数为W2b的次级绕阻差动变压器式传感器的等效电路差动变压器式传感器的等效电路 结构特点：结构特点： 两个二次线圈反两个二次线圈反向串联，组成差动向串联，组成差动输出形式。输出形式。 请将二次线圈请将二次线圈N21、N22的有关端的有关端点正确地连接起来，点正确地连接起来，并指出哪两个为输并

15、指出哪两个为输出端点。出端点。两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如图所示。 当初级绕组加以激励电压U时, 根据变压器的工作原理,在两个次级绕组N21和N22中便会产生感应电势U21和U22。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时, 必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有U21 = U22 。由于变压器两次级绕组反相串联, 因而Uo= U21 - U22 =0, 即差动变压器输出电压为零。 当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响， N21中磁通将大于N22 ，使M1M2，因而U21增加，而U22减小。

16、反之， U22增加， U21减小。因为Uo= U21 - U22 ，所以当U21、U22 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。差分变压器输出电压的特性曲线差分变压器输出电压的特性曲线 N1N21N22U0 x-x 由图可以看出，由图可以看出， 当衔铁位于中心位置当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出时，差动变压器输出电压并不等于零，我电压并不等于零，我们把差动变压器在零们把差动变压器在零位移时的输出电压称位移时的输出电压称为为零点残余电压零点残余电压，记，记作作Uo，它的存在使，它的存在使传感器的输出特性不传感器的输出特性不经过零点，造成实际经过零点，造成实际特性与理论特性不完特性与理

17、论特性不完全一致全一致。灵敏度与线性度灵敏度与线性度 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程，行程越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压在为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源左右为宜。电源频率以频率以110kHz为好。为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右左右。 例：欲测量例：欲测量20mm 2mm轴的直径误差，应选择线轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜为宜 ？ 零点残余电压产生原因零点残余电

18、压产生原因： 主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。称，以及磁性材料的非线性等引起的。 零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小应设法减小UxUx，否则将会影响传感器的测量结果。，否则将会影响传感器的测量结果。 二、差动变压器式传感器测量电路二、差动变压器式传感器测量电路 问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向); （2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除

19、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。 (1) 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。图4-18 差动整流电路（a） 半波电压输出；（b） 半波电流输出； （c） 全波电压输出； （d） 全波电流输出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) 从图4-18（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8， 故整流电路的输出电压为

20、 68242UUU(4-35) 当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24 U68 ，则U2 0；而当衔铁在零位以下时， 则有U24 U68，则U2 0，不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压uo始终为正。 当x0时：u2与us为同频反相。不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为 (4-39)波形图（a） 被测位移变化波形图; （b） 差动变压器激磁电压波形; （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 xoou1ttu2oK1u1xusouoo

21、ttt(a)(b)(c)(d )(e) 三、三、 差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 差分变压器位移传感器差分变压器位移传感器案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量3.3 3.3 涡流式传感器涡流式传感器原理原理: :涡流效应涡流效应电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、高效的干净、高效的 电磁炉电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过励磁通过励磁

22、线圈，产线圈，产生交变磁生交变磁场，在铁场，在铁质锅底会质锅底会产生无数产生无数的电涡流，的电涡流，使锅底自使锅底自行发热，行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。物。一、电涡流传感器的工作原理一、电涡流传感器的工作原理 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 二、二、 电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线印制线路板路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指

23、示灯 8输出屏蔽电输出屏蔽电缆线缆线 9电缆插头电缆插头 CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论： 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？ 三、电涡流传感器的测量电路三、电涡流传感器的测量电路 1、电桥电路、电桥电路 2、谐振电路、谐振电路 ：调幅式（：调幅式（AM）电路）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）用于激励电）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电

24、涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？幅产生明显的衰减吗？为什么？ 图3-15 CFZ1型电涡流传感器测量电路放 大检 波指 示RioLCUo四、四、涡流传感器应用实例涡流传感器应用实例1. 板厚检测板厚检测 图3-

25、16 测厚仪测试系统图 厚度给定系统S1检波比较电压检波S2加法器指示仪表带材xx1x2应用实例：应用实例：大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 应用实例：应用实例：420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）应用实例：位移测量应用实例：位移测量1、偏心和振动检测、偏心和振动检测2 2、通过测量间隙来测量径向跳动、通过测量间隙来测量径向跳动3 3、测量弯曲、波动、变形、测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。振动测量，须使用多个传感器。4 4、测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪、测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚测量冷轧板厚度度5 5、测量尺寸、公、测量尺寸、公差及零件识别差及零件识别 通过测量间隙来通过测量间隙来测定测定 热膨胀引起的上下平热膨胀引起的上下平移移6 6、振动测量、振动测量 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle应用实例：转速测量应用实例：转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽( (或齿或齿) )，频率计的读数为