传感器技术第5讲变磁阻式传感器ppt课件

1、传感器技术传感器技术第第5讲讲 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 主讲教师主讲教师: :刘遥生刘遥生联系电话联系电话13662686339第第5课课 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 内容：一、电感式传感器内容：一、电感式传感器 二、变压器式传感器二、变压器式传感器 三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器 目的：目的：1 1、了解变磁阻式传感器的基本工作原、了解变磁阻式传感器的基本工作原理；理； 2 2、掌握变磁阻式传感器的基、掌握变磁阻式传感器的基本结构和应用技术。本结构和应用技术。什么是变磁阻式传感器什么是变磁阻式传感器 ? 利用线圈电感或互感的改变来实现非电利用线圈电感或

2、互感的改变来实现非电量测量的传感器称变磁阻式传感器。量测量的传感器称变磁阻式传感器。 变磁阻式传感器是一种机电转换装置，在自动控变磁阻式传感器是一种机电转换装置，在自动控制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器之一。之一。与其它传感相比较有如下特点：与其它传感相比较有如下特点：1 1、结构简单，寿命长。、结构简单，寿命长。2 2、灵敏度和分辩率高。能测出、灵敏度和分辩率高。能测出0.01m 0.01m 的机械位移量。输出信的机械位移量。输出信号强。号强。3 3、重复性好，线性度优良。、重复性好，线性度优良。第一节电感式传感器第一节电感式传感器

3、 内容：内容：一、电感式传感器主要用途和结构一、电感式传感器主要用途和结构 二、电感式传感器的简单工作原理二、电感式传感器的简单工作原理 三、电感式传感器的基本类型三、电感式传感器的基本类型四、测量电路四、测量电路 第一节电感式传感器第一节电感式传感器 一、电感式传感器主要用途和结构一、电感式传感器主要用途和结构 铁芯衔铁线圈电感式传感器电感式传感器 1、用途、用途 电感式传感器主要用于测量位移、压力、力、电感式传感器主要用于测量位移、压力、力、振动和加速度。振动和加速度。2 2、构造、构造线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁第一节电感式传感器第一节电感式传感器 二、工作原理二、工作原理 传感器运

4、动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚传感器运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要测出这种电感量的变化，就能确定电感值变化，因此只要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。衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可由下式计算：根据电感定义，线圈中电感量可由下式计算： L=/式中式中线圈的匝数；线圈的匝数； 穿过线圈的磁通，穿过线圈的磁通，=I/Rm Rm=2/0S0 通过线圈的电流通过线圈的电流当气隙磁阻远大于铁芯和当气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻时

5、，可近似为衔铁的磁阻时，可近似为:(0空气的导磁率空气的导磁率)2002sL 铁芯衔铁线圈S0第一节电感式传感器第一节电感式传感器 二、工作原理二、工作原理 上式表示，当线圈匝数为常数上式表示，当线圈匝数为常数时，电感时，电感L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，只要改变的函数，只要改变或或S0均均可导致电感变化，因止电感式可导致电感变化，因止电感式传感器又可分为变气隙厚度传感器又可分为变气隙厚度的的传感器和变气隙面积传感器和变气隙面积S0的传感的传感器器2002sL 铁芯衔铁线圈S0第一节电感式传感器第一节电感式传感器 三、电感式传感器的类型三、电感式传感器的类型 铁芯衔铁线圈S0单

6、线圈式传感器铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器第一节电感式传感器第一节电感式传感器 四、测量电路四、测量电路 铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器Z2Z1Z2Z1Z3=RU0Z4=RUAC交流电桥测量电路011022LLUZZUUACACL0衔铁在中间位置时单个线圈的电感,，L两线圈电感的差量第一节电感式传感器第一节电感式传感器 四、测量电路四、测量电路 铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器Z2Z1UIUI/2UI/2Z1Z2Uo变压器式交流电桥第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 内容：一、结构及原理内容：一、结构及原理 二、基本特性二、基本特性 三、测量电

7、路三、测量电路第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理一、结构及原理1、什么叫差动变压器式传感器？、什么叫差动变压器式传感器？ 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称把被测的非电量变化转换为线圈互感量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，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。感器。1 1变隙式变隙式2 2变面积式变面积式3 3螺线管式螺线管式2 2、类型、类型活动衔铁活动衔铁导磁外壳导磁外壳骨架骨架次级绕组次

8、级绕组初级绕组初级绕组次级绕组次级绕组图图-3 -3 螺线管差变压器结构图螺线管差变压器结构图第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理螺旋管式）一、结构及原理螺旋管式）第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理螺旋管式）一、结构及原理螺旋管式）图图-6 -6 三节式三节式图图-4 -4 一节式一节式图图-5 -5 二节式二节式图图-7 -7 四节式四节式第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理螺旋管式）一、结构及原理螺旋管式）图图-8 -8 五节式五节式第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理

9、螺旋管式）一、结构及原理螺旋管式）图图-3 -3 螺线管差变压器结构图螺线管差变压器结构图次级绕组次级绕组初级绕组初级绕组次级绕组次级绕组第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、结构及原理螺旋管式）一、结构及原理螺旋管式）次级绕组次级绕组次级绕组次级绕组图图-3 -3 螺线管差变压器结构图螺线管差变压器结构图初级绕组初级绕组第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 二、测量电路螺旋管式）二、测量电路螺旋管式）0UU00U直接利用测量信号只能识别移动大小，但不能识别方向第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 二、测量电路螺旋管式）二、测量电路螺旋管式）第二节

10、第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 二、测量电路螺旋管式）二、测量电路螺旋管式）第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 二、结构类型二、结构类型 三、测量电路三、测量电路第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 1、何谓电涡流式传感器、何谓电涡流式传感器 ？ 运用电涡流效应构成的某参数测量装置运用电涡流效应构成的某参数测量装置称电涡流式传感器。称电涡流式传感器。 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 2、什么是电

11、涡流效应、什么是电涡流效应? 当线圈通一交变电流时，线圈当线圈通一交变电流时，线圈周围就产生一个交变磁场周围就产生一个交变磁场H1。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 2、什么是电涡流效应、什么是电涡流效应? 如果把一块导体放在变化着的磁如果把一块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场力时，由于导体内场中或相对于磁场力时，由于导体内部可构成闭合回路，穿过回路的磁通部可构成闭合回路，穿过回路的磁通发生变化，因此在导体中也会产生感发生变化，因此在导体中也会产生感应电流，这些电流在导体内自行闭合应电流，这些电流在导体内自行闭合成漩涡状，故称为

12、电涡流，筒称涡流。成漩涡状，故称为电涡流，筒称涡流。该涡流产生的磁场该涡流产生的磁场H2与与H1方向相反，方向相反，力图削弱原磁场力图削弱原磁场H1，从而导致线圈的，从而导致线圈的电感量电感量L、阻抗、阻抗Z和品质因数和品质因数Q发生变发生变化，这就是电涡流效应。化，这就是电涡流效应。H1H2第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 图图15高频反式电涡流传感器原高频反式电涡流传感器原理理一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 有一通交变电流有一通交变电流I1I1的传感器的传感器线圈，由于电流线圈，由于电流I1I1的存在，线圈的存在，线圈周围就产生一个交变磁场周围就产生一个交变

13、磁场H1H1。若。若被测导体置于该磁场范围内，导被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流体内便产生电涡流I2I2，I2I2也将产也将产生一个新磁场生一个新磁场H2H2；H2H2与与H1H1方向相方向相反，力图削弱原磁场反，力图削弱原磁场H1H1，从而导，从而导致线圈的电感量致线圈的电感量L L、阻抗、阻抗Z Z和品质和品质因数因数Q Q发生变化。发生变化。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 图图15高频反式电涡流传感器原高频反式电涡流传感器原理理一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 影响参数的变化因数：影响参数的变化因数： （取决于导体的）（取决于导体的）1几何形状

14、几何形状2电导率电导率4线圈的几何参数线圈的几何参数5电流的频率电流的频率f6线圈到被测导体间的距离线圈到被测导体间的距离x3磁导率磁导率 控制上述参数中的任一参数改变，余控制上述参数中的任一参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。器。 xfZ.第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 图图15高频反式电涡流高频反式电涡流传感器原理传感器原理一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理

15、（4-35）（4-36）（4-37）第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 由式由式4-354-35）（）（4-374-37可知，线圈金属导体可知，线圈金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数数平方的函数。而互感系数L L又是距离又是距离X X的非线性的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，z=f1(x)z=f1(x)、L=f2(x)L=f2(x)、Q=f3(x)Q=f3(x)都是非线性函数。但都是非线性函数。但在一定

16、范围内，可以将这些函数近似地用一线性在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量函数来表示，于是在该范围内通过测量z z、L L或或Q Q的的变化就可以线性地获得位移的变化。变化就可以线性地获得位移的变化。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1 1高频反射式高频反射式2 2变面积式变面积式3 3螺旋式螺旋式4 4低频透射式低频透射式类类 型型4种）种）第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式高频反射式 由一个扁平线圈固定在框

17、架由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制或银线绕制(高温使用时可采用铼高温使用时可采用铼钨合金线钨合金线)，用粘结剂粘在框架端，用粘结剂粘在框架端部或绕制在框架槽内。部或绕制在框架槽内。 线线圈圈框框架架框框架架衬衬套套支支座座插插头头电电缆缆电涡流传感器的结构电涡流传感器的结构第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式高频反射式 分析表明，这种传感器分析表明，这种传感器线圈外径大时，线圈的磁场线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围大，线圈外径轴向分布范围大，线圈外径小时则

18、相反小时则相反 。 线圈轴向磁感应强度与轴向距离的关系线圈轴向磁感应强度与轴向距离的关系第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式高频反射式 需要指出由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之需要指出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，被测导体作为间的电磁耦合进行工作的，被测导体作为“实际传感器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。因此有必要对被测体进行讨论。性密切相关。因此有必要对被测体进行讨论。 1、被测导体的电导

19、率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。、被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。 2、被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量、被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量精度。精度。 3、被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。、被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。 4、对被测体厚度也有一定要求。、对被测体厚度也有一定要求。 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 2 2变面积式变面积式 这种传感器是利用这种传感器是利用被测导体与传感器线圈之被测导体与传感器线圈之间相对覆盖面积的变化引间相对覆盖面积的变化引

20、起涡流效应的变化来测量起涡流效应的变化来测量位移的。测量的线性范围位移的。测量的线性范围比高频反射式大，且线性比高频反射式大，且线性度提高。度提高。被测圆筒被测圆筒X第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 3 3螺旋式螺旋式 由铜由铜(或银或银)制短路套筒和螺管线圈组成，短路套筒能沿螺管制短路套筒和螺管线圈组成，短路套筒能沿螺管线圈轴向移动。这种传感器与螺管式电感传感器相似，但不存在线圈轴向移动。这种传感器与螺管式电感传感器相似，但不存在铁损；线性范围宽，但灵敏度较低。为此，常用差动结构，且取铁损；线性范围宽，但灵敏度较低。为此，常

21、用差动结构，且取短路套筒长为线圈长的短路套筒长为线圈长的60左右。左右。 螺管线圈螺管线圈 螺管线圈螺管线圈 短路套筒短路套筒 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型 4 4低频透射式低频透射式 这种类型与前三种的主要这种类型与前三种的主要不同在于它采用低频激励，贯不同在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用测量厚度。穿深度大，适用测量厚度。 组成：发射线圈组成：发射线圈L、接收线圈、接收线圈L2组成组成 发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型二、电涡流式传感器的结构类型

22、 4 4低频透射式低频透射式原理：当低频激励电压原理：当低频激励电压U1加到加到L1的两端时，将在的两端时，将在L2的两端产生感应的两端产生感应电压电压U2。若两线圈之间无金属导体，。若两线圈之间无金属导体，L1的磁场就能直接贯穿的磁场就能直接贯穿L2，这时，这时U2最大。当有金属板后，其产生的最大。当有金属板后，其产生的涡流，削弱了涡流，削弱了L1的磁场，造成的磁场，造成U2下降。金属板越厚，涡流损耗大，下降。金属板越厚，涡流损耗大，U2就越小。因此可利用就越小。因此可利用U2的大小的大小来反映金属板的厚度。来反映金属板的厚度。发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈第三节第三节 电涡流式传感器电涡

23、流式传感器 三、测量电路三、测量电路 针对被测变量可以转换为线圈电感针对被测变量可以转换为线圈电感L、阻抗、阻抗Z或品质因数或品质因数Q值的三种参数的变化，测量电路也有值的三种参数的变化，测量电路也有三种。三种。2、电桥电路、电桥电路3、Q值测试电路。值测试电路。 （Q值测试电路较少采用）值测试电路较少采用） 1、谐振电路、谐振电路 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路 （1定频调幅式定频调幅式（2变频调幅式变频调幅式（3调频式。调频式。 第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路 （1定

24、频调幅式定频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路 （1定频调幅式定频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路 （2变频调幅式变频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路 （2变频调幅式变频调幅式第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、测量电路三、测量电路 1、谐振电路、谐振电路 （3调频式调频式第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 一、电感式传感器的应用一、电感式传感器的应用 第四节第四节 变

25、磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 二、差动变压器式传感器的应用二、差动变压器式传感器的应用 1测量振动和加速度测量振动和加速度 差动变压器式加速度传感器的结构示意图差动变压器式加速度传感器的结构示意图 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 二、差动变压器式传感器的应用二、差动变压器式传感器的应用 2测量大型构件的应力和位移测量大型构件的应力和位移 差动变压器式传感器测量应力和位移原理图差动变压器式传感器测量应力和位移原理图 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用三、电涡流式传感器的应用1测量位移测量位移 液位监控系统液位监控系统 涡流板涡流板 传感器传感器 浮子浮子 第四节第四节 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用三、电涡流式传感器的应用 2测量