第5讲变磁阻式传感器

1、自感式传感器自感式传感器差动变压器差动变压器电涡流传感器电涡流传感器变磁阻式传感器变磁阻式传感器变磁阻式传感器的概述变磁阻式传感器的概述变磁阻式传感器的优点变磁阻式传感器的优点变磁阻式传感器的分类变磁阻式传感器的分类变磁阻式传感器由变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。IwILMRwIMRwL2自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理RRRFM222111SLSLRF002SRRRF20022SwRwL变气隙厚度的传感器变气隙厚度的传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器L L与

2、与之间是非线性关系，之间是非线性关系， 特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。2022SwRwLm 变隙式电压传感器的变隙式电压传感器的L -L -特性特性变气隙式电感传感器的输出特性变气隙式电感传感器的输出特性00220SwL 衔铁下移衔铁下移 0,000002222SwSwLLL122200002Sw00L000011LLLL衔铁衔铁初始电感量为初始电感量为忽略高次项：忽略高次项： 001LL0010LLK.3020001LL时，当 10得：得：灵敏度灵敏度衔铁上移衔铁上移 0,00L.302000 LL时，当 10忽略高次项：忽略高次项： 00LL000002222SNSNLLL得：得：0

3、010LLK 由上式可见，变间隙式电感传感器的测量范围与由上式可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感传感器灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。用于测量微小位移时是比较精确的。0010LLK灵敏度灵敏度衔铁上移衔铁上移 切线斜率变大切线斜率变大衔铁下移衔铁下移切线斜率变小切线斜率变小0K20000011LLK20000011LLK与与衔铁上移：衔铁上移：23000LL非线性部分23000LL非线性部分衔铁下移：衔铁下移：无论上移或下移，非线性都将增大。无论上移或下移，非线性都将增大。与线性度与线性度差动变隙式电感传感器差动变

4、隙式电感传感器sUL1L2RoRooU122131铁 芯 ；2线 圈 ；3衔 铁差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式自感传感器差动变隙式自感传感器1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆12344 .LL32000011 .LL30200021衔铁下移：衔铁下移： )(ANL00122)(ANL002220002LLK.LLLL530000122.LLLLL5300000122aLxLkL灵敏度为：202sNL 变面积式自感传感器变面积式自感传感器变截面式传感器变截面式传

5、感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向管内的长度柱形衔铁插入到单个螺铁芯有效磁导率单个螺管线圈长度柱形衔铁半径线圈平均半径单个线圈的电感量灵敏度为：cmccmLllrrLlLrrxLk2)(1(螺管式自感传感器螺管式自感传感器差动式螺管型自感传感器差动式螺管型自感传感器UsrUsc自感式传感器的自感式传感器的测量电路测量电路- -调幅电路调幅电路1.变压器电路（工作臂变压器电路（工作臂Z1、Z2为传感器两个线圈的阻为传感器两个线圈的阻抗。）抗。）00211022221LLULjrLjUZZUUUZZZUUUBA2.2.相敏检波电路相敏检波电路自感式传感器的自感式传感器的测量电路测

6、量电路- -调幅电路调幅电路非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a) (a) 非相敏整流电路；（非相敏整流电路；（b b） 相敏整流电路相敏整流电路使用相敏整流，输出电压使用相敏整流，输出电压U U0 0不仅能反映衔铁位移的不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。 3.3.谐振式调幅电路谐振式调幅电路自感式传感器的自感式传感器的测量电路测量电路- -调幅电路调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。不高的场合。自感式传感器的自感

7、式传感器的测量电路测量电路- -调频电路调频电路传感器自感变化将引起输出电压频率的变化传感器自感变化将引起输出电压频率的变化 G GC CL Lf f灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合 )/()2/(4/)(2/3LLfLCLCfL Lf f0 0LCf2/1自感式传感器的自感式传感器的测量电路测量电路- -调相电路调相电路)/(tg21RLLLRLRL)/(1)/(22自感式传感器的自感式传感器的灵敏度灵敏度 传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度转换电路灵敏度 xLLkt/ )/()/(0LLukc总灵敏度总灵敏度 xuk

8、kkctz/0自感式传感器的应用举例自感式传感器的应用举例电感式传感器电感式传感器般用于接触测量，可用于静态和动般用于接触测量，可用于静态和动态测量。测量的基本量是位移，也可以用于振动、压态测量。测量的基本量是位移，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。力、荷重、流量、液位等参数测量。除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精密微小位移测量。它主要用于精密微小位移测量。 变气隙差动式自感压力传感器变气隙差动式自感压力传感器自感式圆度仪

9、自感式圆度仪电感式圆度仪原理图电感式圆度仪原理图1-被测工件；被测工件；2-精密主轴：精密主轴：3-传感器；传感器；4 -工作台工作台传感器传感器3 3与精密主轴与精密主轴2 2一起回转，主轴一起回转，主轴2 2精度很高，在精度很高，在理想情况下可认为它回转运动的轨迹是理想情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆真圆”。当。当被测件被测件1 1有圆度误差时，必定相对于有圆度误差时，必定相对于“真圆真圆”产生径产生径向偏差，该偏差值被传感器感受并转换成电信号。载向偏差，该偏差值被传感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波、有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波

10、、滤波、滤波、A AD D转换后送入计算机处理，最后数字显示出转换后送入计算机处理，最后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件的轮廓图形圆度误差；或用记录仪器记录下被测件的轮廓图形( (径向偏差径向偏差) )。自感式圆度仪自感式圆度仪自感式传感器测液位自感式传感器测液位自感式滚柱直径分选装置自感式滚柱直径分选装置差动变压器差动变压器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的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，原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，

11、 故称故称差动变压器式传感器。差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式（这两种差动变压器结构形式：变隙式、变面积式（这两种也称气隙型）和螺线管式等。也称气隙型）和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，器， 它可以测量它可以测量1 1100mm100mm机械位移，并具有测量精机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。结构简单、性能可靠等优点。 1243(a)气隙型气隙型123(b)螺管型螺管型41 初级线圈初级线圈;2.3次级线圈次级线圈;4衔铁衔铁互感现象互感现象EwEo

12、utWW1W2Esx-x螺管型差动变压器根据初、次级排列不同，有二节式、螺管型差动变压器根据初、次级排列不同，有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。三节式、四节式和五节式等形式。差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式1 1 初级线圈；初级线圈；2 2 次级线圈；次级线圈；3 3 衔铁衔铁( (a a) ) 二节式二节式 (b) (b) 三节式三节式 (c) (c) 四节式四节式 (d) (d) 五节式五节式31121 2112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。线性

13、范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路差动变压器等效电路差动变压器等效电路差动变压器输出特性差动变压器输出特性差动变压器主要特性差动变压器主要特性1 1灵敏度灵敏度差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激磁差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激磁下下, ,铁芯移动单位距离时所产生的输出电压的变化，铁芯移动单位距离时所产生的输出电压的变化，其单位为其单位为V/(mmV/(mm V )V )，一般差动变压器的灵敏度大，一般差动变压器的灵敏度大于于5 5V/mmV/mm V V。 要提高差动变压器的灵敏度可以通过以下几种途径：要提高差动变压器的灵

14、敏度可以通过以下几种途径：见书见书P67P67。 2.2.线性度线性度理想的差动变压器次级输出电压与铁芯位移成线性关理想的差动变压器次级输出电压与铁芯位移成线性关系。实际上，由于铁芯的直径、尺度、材料的不同和线系。实际上，由于铁芯的直径、尺度、材料的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等，均对线性关系有直接影圈骨架的形状、大小的不同等，均对线性关系有直接影响，所以，一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长响，所以，一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的度的1/101/41/101/4。差动变压器的线性度不仅是指铁芯位移与次级电压的差动变压器的线性度不仅是指铁芯位移与次级电压的关系，还要求次级电压

15、的相位角为一定值。后一点往往关系，还要求次级电压的相位角为一定值。后一点往往比较难以满足，考虑到此因素，差动变压器的线性范围比较难以满足，考虑到此因素，差动变压器的线性范围约为线圈骨架全长的约为线圈骨架全长的1/101/10左右。另外，线性度好坏与激左右。另外，线性度好坏与激磁频率、负载电阻等都有关系。获得最佳线性度的激磁磁频率、负载电阻等都有关系。获得最佳线性度的激磁频率随铁芯长度而异。频率随铁芯长度而异。如果将差动变压器的交流输出电压用差动整流电路进如果将差动变压器的交流输出电压用差动整流电路进行整流，能使输出电压线性度得到改善。也可以利用测行整流，能使输出电压线性度得到改善。也可以利用测

16、量电路来改善差动变压器的线性度和扩展线性范围。量电路来改善差动变压器的线性度和扩展线性范围。零点残余电压零点残余电压当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作零点残余电压，记作Ux，它的存在使传感器的输出特，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。 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

17、小Ux，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。产生零点残余电压的原因产生零点残余电压的原因(1)(1)。差动变压器的两个次级绕组因材料或。差动变压器的两个次级绕组因材料或工艺等差异造成电路参数工艺等差异造成电路参数(R(R、L L、M)M)不同；初级线圈不同；初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈匝间电容的存在，中铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈匝间电容的存在，使激励电流与其所产生的磁通不同相。使激励电流与其所产生的磁通不同相。(2)(2)。高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的。高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得非线性引起。由于磁

18、滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激磁电流与磁通波形不一致，产生非正弦激磁电流与磁通波形不一致，产生非正弦( (主要是三主要是三次谐波次谐波) )磁通从而在次级绕组感应出非正弦电势。磁通从而在次级绕组感应出非正弦电势。图是利用作图法表示非正弦磁通的产生过程，同样可图是利用作图法表示非正弦磁通的产生过程，同样可以分析，由于磁化曲线的非线性影响，使正弦磁通产以分析，由于磁化曲线的非线性影响，使正弦磁通产生尖顶的电流波形生尖顶的电流波形( (亦包含三次谐波亦包含三次谐波) )。消除零点残余电压的方法消除零点残余电压的方法 (1)从设计和工艺上尽量保证从设计和工艺上尽量保证。 (2)选用选用。采。采用相敏检

19、波电路不仅可以鉴用相敏检波电路不仅可以鉴别铁芯移动方向，而且可以别铁芯移动方向，而且可以消除零点残余电压中的高次消除零点残余电压中的高次谐波成分，如图所示，采用谐波成分，如图所示，采用相敏检波后铁芯反行程时的相敏检波后铁芯反行程时的特性曲线由特性曲线由1到到2，从而降低，从而降低零点残余电压。零点残余电压。(3)(3)。l根据零点残余误差的产生原因，主要有以下几类补根据零点残余误差的产生原因，主要有以下几类补偿电路偿电路( (见书见书P68P68图图3.2.9)3.2.9)：a.a.加串联电阻加串联电阻(0.55(0.55 ) )消除基波同相成分消除基波同相成分b.b.并联电容并联电容C(10

20、0500pF)C(100500pF)，改变某一次级绕组相位，改变某一次级绕组相位，c.c.消除高次谐波分量消除高次谐波分量d.d.加并联电阻加并联电阻(0.11)(0.11)102k102k 消除基波中正交成分；消除基波中正交成分；加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量。加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量。差动变压器的转换电路差动变压器的转换电路-差动整流电路差动整流电路差动变压器的转换电路差动变压器的转换电路-相敏检波电路相敏检波电路外力作用下，变形外力作用下，变形使差动变压器的铁使差动变压器的铁芯微位移，变压器芯微位移，变压器次极产生相应电信次极产生相应电信号。号。差动变压器的

21、应用差动变压器的应用-力测量力测量差动变压器的应用差动变压器的应用-位移测量位移测量 差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。种零件膨

22、胀、伸长、应变等。 图为图为。当某一。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号动变压器输出信号Uo=0Uo=0；当液位上升；当液位上升或下降时，或下降时，UoUo 0 0，通过相应的测量电，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。路便能确定液位的高低。 差动变压器的应用差动变压器的应用-压力测量压力测量这种微压力变送器，经分档可测这种微压力变送器，经分档可测( 4+6) 104N/m2的的压力，输出信号电压为压力，输出信号电压为050mV，精度，精度1.0级、级、1.5级。级。 差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力差动变压器和弹性敏感元件组

23、合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。器。 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大35倍。由于运动系统质量倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在高。所以，能测

24、量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。高频时加速度测量用压电式传感器。以下。高频时加速度测量用压电式传感器。差动变压器的应用差动变压器的应用-振动和加速度测量振动和加速度测量差动变压器的应用差动变压器的应用-测速测速放大器加法器交流电源直流电源跟随器跟随器减法器低通滤波器磁芯电涡流式传感器概述电涡流式传感器概述成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称为电涡流。为电涡流。xfrFZ,电涡流传感器结构简单、频率响应宽

25、、灵敏度高、抗干扰能电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点，因此力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。电涡流传感器可广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。电涡流传感器可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，并且还可以进以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，并且还可以进行无损探伤和制作接近开关。行无损探伤和制作接近开关。电涡流传感器主要有两种类型：高频反射式（应用广泛）和电涡流传感器主要有两种类型：高频反射式（应用广泛）和低频透射式低频透射式. .电涡流式传感器的基本结

26、构电涡流式传感器的基本结构线圈线圈1绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架2内，线圈内，线圈用多股漆包线或银线绕制成扁平盘状。使用时，通过骨用多股漆包线或银线绕制成扁平盘状。使用时，通过骨架衬套架衬套3将整个传感器安装在支架将整个传感器安装在支架4上，上，5、6是电缆和插是电缆和插头。头。 电涡流传感器结构电涡流传感器结构 电涡流传感器（接近开关）外型图电涡流传感器（接近开关）外型图电涡流式传感器的结构原理电涡流式传感器的结构原理电涡流式传感器的基本原理电涡流式传感器的基本原理如图：当线圈通交变电流如图：当线圈通交变电流i i1 1 交变磁场交变磁场H H1 1 金属

27、板中将产金属板中将产生感应电动势生感应电动势 电涡流电涡流i i2 2 磁场磁场H H2 2 H H2 2对线圈的反作用对线圈的反作用( (减弱线圈原磁场减弱线圈原磁场),),从而导致线圈的电感量从而导致线圈的电感量L L、阻抗、阻抗Z Z或品质因或品质因数数Q Q发生变化。发生变化。xfrFZ,电涡流式传感器的等效电路电涡流式传感器的等效电路线圈金属导体 02222121111ILjIRIMjEIMjILjIR 222212122221222222222222222111LRIMRjILMLjRIMjIZELRLMLjLRRMREI SS2222222122222221jRLRLMLjLRR

28、MRZ21222222212122222221LLLLRMLLRRRLRMRRSS由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为响的复阻抗为:得出线圈的等效电阻和等效电感分别为得出线圈的等效电阻和等效电感分别为:测量电路测量电路- -调频式测量电路调频式测量电路 利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调直接使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成制。然后通过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输

29、出。电压输出。测量电路测量电路- -调幅式测量电路调幅式测量电路 调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻R R加到加到传感器上。先使传感器远离被测物，则传感器上。先使传感器远离被测物，则L LL L ( (即即x x趋于趋于 时的电感时的电感值值) )，调振荡器的频率到，调振荡器的频率到 ，得出最大输出电压，得出最大输出电压u u ，然后保持振荡器的频率然后保持振荡器的频率f fo o和幅值不变，当被测物与传感器线圈接和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近时，由于电涡流效应，使线圈的电感量近时，由于电涡流效应，使线圈的电感量L L变化

30、，并使回路失谐，变化，并使回路失谐，从而使输出电压从而使输出电压u u降低，由降低，由u u的下降程度判断距离的下降程度判断距离x x的大小。的大小。 CLfo 21测量电路测量电路- -电桥测量电路电桥测量电路Z Z1 1、 Z Z2 2为差动式传感器的两个线圈，或者一个是传为差动式传感器的两个线圈，或者一个是传感器线圈，一个是固定平衡线圈。桥路输出电压幅值感器线圈，一个是固定平衡线圈。桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。随传感器线圈阻抗变化而变化。电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用1位移测量位移测量凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量。器来测量。电涡流位移计（电涡流位移计（1-1-被测试件被测试件 2-2-电涡流传感器）电涡流传感器）轴向位移轴向位移(a)(a)；磨床换向阀、先导阀的位移