传感技术第3章 变磁阻式传感器2

1、3.3 互感式传感器互感式传感器互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。不同的是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。它与自感式传感器统称为电感式传感器。一一. .工作原理与类型工作原理与类型原理：当初级线圈加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压e21,e22，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关， e21和e22反极性连接就得到输出电压e23.3 互感式传感器互感式传感器一一. .工作原理与类型工作原理与类型2. 变隙式差动变压器及其等

2、效电路如图所示。3.3 互感式传感器互感式传感器2aW2bW12MM2aE2bE2bE2aE222abUEE2U2aE2bE12MM22abEE2220abUEE3.3 互感式传感器互感式传感器差动变压器的输出特性与初级线圈对两个次级线圈的互感之差有关。结构型式不同，互感的计算方法也不同。型差动变压器的输出特性为：0120ddDWWUU式中 0为初始气隙；W1为初级线圈匝数；W2为次级线圈匝数；为衔铁上移量3.3 互感式传感器互感式传感器上式表明，输出电压U0与衔铁位移成比例，输出特性曲线如图所示。式中负号表明向上为正时，输出电压U0与电源电压U反相；向下为负时，两者同相。 差动变压器的特性

3、()输出特性；()相位特性3.3 互感式传感器互感式传感器形差动变压器的灵敏度表达式1200WWUUKddD可见传感器的灵敏度随电源电压U和变压比W2/W1的增大而提高，随初始气隙增大而降低。增加次级匝数W2与增大激励电压U将提高灵敏度。但W2过大，会使传感器体积变大，且使零位电压增大；U过大，易造成发热而影响稳定性，还可能出现磁饱和，因此常取0.58V，并使功率限制在1VA以下。3.3 互感式传感器互感式传感器微动同步器内电路图3.变面积式（如微动同步器）： 差动式变压器也可做成改变导磁面积的变面积式，但用于测量直线的极少，常用来测量角位移。3.3 互感式传感器互感式传感器3.变面积式（如微

4、动同步器）： 输出电压为：keeeeU)(232124220k微动同步器的灵敏度， 转子的转角3.3 互感式传感器互感式传感器二二. .测量电路测量电路一般采用反串电路和桥路两种。反串电路是直接把两个二次线圈反向串接。这种情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差，即： 22210EEU二次线圈反串电路3.3 互感式传感器互感式传感器桥路如图所示：其中R1，R2是桥臂电阻，Rw是供调零用的电位器。设R1R2，则输出电压可见桥路的灵敏度为前面的一半，但其优点是利用Rw可进行调零，不再需要另外配置调零电路。差动变压器使用桥路2)(21221210EEERREEU2R3.3 互感式传感器互感式传

5、感器三三. .互感式传感器的误差互感式传感器的误差自感式传感器的误差分析均适用于差动变压器。所不同的是差动变压器多了一个初级线圈。当温度变化时，初级线圈的参数尤其铜阻的变化影响较大。设温度变化()，初级线圈铜阻R1增加R1，铜线电阻温度系数为+0.4/，由此引起的次级输出电压的相对变化为tRLRLRRUUDDD11111100/1004. 0/1/ 由上式可知，低频激励时线圈的品质因数低，温度误差大。为此应提高初级线圈的品质因数。3.3 互感式传感器互感式传感器四四. .电感式传感器的应用电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移与尺寸，也可测量能转换成位移变化的其他参数，如力、张力、压

6、力、压差、振动、应变、转矩、流量、比重等。位移与尺寸测量压力测量力和力矩测量振动测量3.3 互感式传感器互感式传感器当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升或下降时，Uo0，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。差动变压器式传感器位移测量差动变压器式传感器位移测量3.3 互感式传感器互感式传感器电感测微仪电感测微仪3.3 互感式传感器互感式传感器板的厚度测量板的厚度测量 3.3 互感式传感器互感式传感器变隙电感式压力传感器变隙电感式压力传感器 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过

7、线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。3.3 互感式传感器互感式传感器外力作用下，变形使差动变压器的铁芯微位移，变压器次极产生相应电信号。差动变压器式压力传感器差动变压器式压力传感器3.3 互感式传感器互感式传感器电感式滚珠直径分选装置电感式滚珠直径分选装置FLASH演示3.3 互感式传感器互感式传感器电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广，它一问世就受到各国的重视。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。3.4 电涡流

8、式传感器电涡流式传感器电涡流效应由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。 3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器一一. .工作原理工作原理3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 线圈置于金属导体附近：线圈置于金属导体附近：线圈中通以交变电流线圈中通以交变电流 i1 i1产生正弦交变磁场产生正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流金属导体内就会产生涡流i2 涡流涡流i2产生反向电磁场产生反向电磁场H2 反作用于线圈反作用于线圈 ,导致线圈的

9、导致线圈的电感电感 、阻抗阻抗和和品质因数品质因数变化变化实验证明，电涡流效应的影响因子：（1）被测体：电阻率、磁导率以及几何形状；（2）线圈：激磁电流频率f ；（3）线圈与导体间的距离x 。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：若保持上式中其它参数不变，只改变其中一个， 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数，测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。Z=F(,r, f , x) 尺寸因子3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器等效电路 线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈。M随线圈与导体间距x的减小而增大。根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组：MMR R1 1L

10、L2 2L L1 1R R2 21UI2I1将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR由此可得线圈受金属导体涡流影响后的由此可得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗等效阻抗：222222221222222221LRMLLjLRMRRZ线圈受金属导体涡流影响后的线圈受金属导体涡流影响后的等效电感等效电感：222222221LRMLLL线圈受金属导体涡流影响后的线圈受金属导体涡流影响后的品质因数品质因数：222212222212011ZMRRZMLLQQ(3-69)(3-70)(3-71)三式均为三

11、式均为M的非线性函数的非线性函数3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器由上述公式，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数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内，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Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗式传感器线圈的阻抗Z、电感、电感L和品质因数和品质因数Q变化

12、，变化，测量测量Z、L或或Q就可求出被测量参数的变化。就可求出被测量参数的变化。二二. .结构类型结构类型高高频频反反射射式式低低频频透透射射式式电电涡涡流流式式传传感感器器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器v 线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；线圈线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；线圈内径和厚度的变化影响较小；内径和厚度的变化影响较小；v 被测体的电导率高，灵敏度也高。磁导率相反，被测体的电导率高，灵敏度也高。磁导率相反，且磁性体比非磁性体的灵敏度低。且磁性体比非磁性体的灵敏度低。v 被测体表面镀层性质和厚度不均匀将影响测量精被测体表面镀层性质和

13、厚度不均匀将影响测量精度。度。v 被测体的大小和形状的影响。平面被测体的直径被测体的大小和形状的影响。平面被测体的直径不应小于线圈直径的不应小于线圈直径的1.8倍。圆柱被测体直径不应倍。圆柱被测体直径不应小于线圈直径的小于线圈直径的3.5倍。倍。v 被测体厚度一般要大于被测体厚度一般要大于0.2mm才不影响测量结果才不影响测量结果3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器1L1UM2L2U发射线圈接收线圈M2U2U2U1L1UM2L2U发射线圈接收线圈H1L1UM2L2U发射线圈接收线圈HM3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器theu2ftr5030要选择线性较好

14、、变化率较大的曲线部分：要选择线性较好、变化率较大的曲线部分：测薄板时，测薄板时，h小，选小，选t3 ，即激励频率要高即激励频率要高 ，测厚板时，测厚板时，h大，选大，选t1 ，即激励频率要低。，即激励频率要低。测厚的依据测厚的依据: u2的大小间接反映了材的大小间接反映了材料料M的厚度的厚度h（t为电涡流为电涡流的贯穿深度）的贯穿深度）v当被测材料的电阻率不同时，渗透深度的值也不相同，于是又引起u2h曲线形状的变化，为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保持t不变，这时应该相应地改变f。测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的频率 (500Hz);而测较大的材料(如黄铜、铝)时，

15、则选用较高的频率 (2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度的一致性。测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。的频率。ftr50303.4 电涡流式传感器电涡流式传感器三三. .测量电路测量电路根据电涡流式传感器的工作原理，其测量电路有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。谐振电路的原理是将传感器线圈和电容组成并联谐振回路，则谐振时的频率和阻抗为：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。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器CRLZ/0LCf21 晶体振荡器提供高频激励信号；晶体振荡器

16、提供高频激励信号； R为耦合电阻；为耦合电阻； 输出高频载波信号较小，高频放大、检波、滤输出高频载波信号较小，高频放大、检波、滤波环节使输出信号便于传输与测量；波环节使输出信号便于传输与测量； 源极输出器用于减小振荡器的负载；源极输出器用于减小振荡器的负载； 线路复杂，装调困难，线性范围窄。线路复杂，装调困难，线性范围窄。1.定频调幅电路定频调幅电路3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 将传感器将传感器 接入电容三点式振荡回路，当导体接近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，振荡器输出电压的幅传感器线圈时，由于涡流效应，振荡器输出电压的幅度和频率均变化，利用振荡幅度的变

17、化来检测线圈与度和频率均变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化。导体间的位移变化。 结构简单，灵敏度高，线性范围宽。结构简单，灵敏度高，线性范围宽。 2.变频调幅电路变频调幅电路3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 与变频调幅电路不同 的是常以振荡频率的变化作为输出信号。若以电压作为输出信号，则后接鉴频器。 关键：提高振荡器的频率稳定度，从环境温度变化、电缆电容变化和负载影响三方面考虑。3.调频电路调频电路四四. .电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 1.测位移测位移电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程

18、达数百毫米，分辨率为0.1%。目前电涡流位移传感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器液位监控系统用电涡流式传感器构成的液位监控系统。如图所示，通过浮子3与杠杆带动涡流板1上下位移，由电涡流式传感器2发出信号控制电动泵的开启而使液位保持一定。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器40例：用电涡流式传感器构成的液位监控系统3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器2.测厚度测厚度3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器v金属板材厚度的变

19、化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。为克服金属板移动过程中上下波动及带材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器L1与L2。由图可知，板厚dD-（x1+x2）。工作时，两个传感器分别测得x1和x2。板厚不变时，(x1+x2)为常值；板厚改变时，代表板厚偏差的(x1+x2)所反映的输出电压发生变化。测量不同厚度的板材时，可通过调节距离D来改变板厚设定值，并使偏差指示为零。这时，被测板厚即板厚设定值与偏差指示值的代数和。除上述非接触式测板厚外，利用电涡流式传感器还可制成金属镀层厚度测量仪、接触式金属或非金属板厚测

20、量仪。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.测温度测温度 在较小的温度范围内，导体的电阻率与温度的关系为 式中 1、0分别为温度t1与t0时的电阻率； a在给定温度范围内的电阻温度系数若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。上述原理可用来测量液体、气体介质温度或金属材料的表面温度，适合于低温到常温的测量。）（0101t-ta13.4 电涡流式传感器电涡流式传感器涡流式温度传感器1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器上图为一种测量液体或气体介质温度的电涡流式传感器。它

21、的优点是：(1)不受金属表面涂料、油、水等介质的影响；(2)可实现非接触测量；(3)反应快。 目前已制成热惯性时间常数仅1ms的电涡流温度计。除上述应用外，电涡流式传感器还可利用磁导率与硬度有关的特性实现非接触式硬度连续测量；利用裂纹引起导体电阻率、磁导率等变化的综合影响，进行金属表面裂纹及焊缝的无损探伤等。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器除此以外：(1)利用多个传感器沿转轴轴向排布，可测得各测点转轴的瞬时振幅值，从而作出转轴振型图；(2)利用两个传感器沿转轴径向垂直安装，可测得转轴轴心轨迹；(3)在被测金属旋转体上开槽或作成齿轮状，利用电涡流传感器可测出该旋转体的旋转频率或转速(4)电涡

22、流传感器还可用作接近开关，金属零件计数，尺寸或表面粗糙度检测，等等。电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。 3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器v又称无触点行程开关。它

23、能在一定的距离（几毫又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出其接近到设定距离时，就可以发出“动作动作”信号。信号。接近开关接近开关503.4 电涡流式传感器电涡流式传感器测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。多个传感器。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪镀层或箔层越薄，电镀层或箔层越薄，电涡流越小涡流越小3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器测

24、量封口机工作间隙间隙越大，电间隙越大，电涡流越小涡流越小3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器测量注塑机开合模的间隙间距间距3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 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3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器电动机转速测量3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。 3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流涂层

25、厚度仪 3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器60电涡流的应用电涡流的应用电磁炉电磁炉干净干净 高效高效3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器61电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器62 高频高频电流通过励电流通过励磁线圈，产磁线圈，产生交变磁场，生交变磁场，在铁质锅底在铁质锅底会产生无数会产生无数的电涡流，的电涡流，使锅底自行使锅底自行发热，烧开发热，烧开锅锅 内内 的的 食食 物。物。3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sH电涡流表面探伤电涡流表面探伤金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sH裂纹电涡流表面探

26、伤 手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深 30m的表面微小裂纹。（参考参考无锡市通达滚子无锡市通达滚子有限公司有限公司资料资料）3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器手提式探伤仪外形 (厦门爱德华检测设备有限公司资料）3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器掌上型电涡流探伤仪3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器台式电涡流探伤仪3.4 电涡流式

27、传感器电涡流式传感器3.5 压磁式压磁式传感器传感器一、压磁效应一、压磁效应铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用s表示，即Sll /SD式中 伸缩比。ll /D在一定的磁场范围内，一些材料(如Fe)的s为正值，称为正磁致伸缩；反之，一些材料(如Ni)的s为负值，称为负磁致伸缩。测试表明，物体磁化时，不但磁化方向上会伸长(或缩短)，在偏离磁化方向的其他方向上也同时伸长(或缩短)，只是随着偏离角度的增大其伸长(或缩短)比逐渐减小，直到接近垂直于磁化方向

28、反而要缩短(或伸长)。铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。铁磁物体被磁化时如果受到限制而不能伸缩，内部会产生应力。如果在它外部施力，也会产生应力。当铁磁物体因磁化而引起伸缩(且不管何种原因)产生应力时，其内部必然存在磁弹性能E。分析表明，E与s成正比，且同磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于E的存在，将使铁磁材料的磁化方向发生变化。3.5 压磁式传感器压磁式传感器3.5 压磁式传感器压磁式传感器对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之，压应力将使磁化方向

29、转向垂直于压应力的方向，削弱应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料，情况正好相反。这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能，使磁化强度矢量重新取向从而改变应力方向的磁导率的现象，称为磁弹性效应，或称压磁效应。3.5 压磁式传感器压磁式传感器铁磁材料的相对导磁率变化与应力之间的关系为 式中 铁磁材料的磁导率； BS饱和磁感应强度。从式(3-44)可知，用于磁弹性式传感器的铁磁材料要求能承受大的应力、磁导率高、饱和磁感应强度小。常用的材料是硅钢片与铁镍软磁合金，由于后者价贵且性能不够稳定，目前大都采用硅钢片。22SSBD(3-44)3.5 压磁式传感器压磁式传感器二压磁式传感器的工作原理二压磁式传感器的工作原理压磁式测力传感器