CHAP6 变磁阻式传感器

1、第6章 变磁阻式传感器电感式传感器差动变压器式传感器电涡流传感器1基础知识一：磁力线的分布规律磁力线是一簇封闭的无头无尾的永不相交的曲线；磁力线总是走磁阻最小的路径；磁力线穿出或进入导磁体表面时垂直表面（但有线圈的地方不垂直）；当两磁极表面平行且气隙很小时，磁场可看作是均匀的，而且磁力线呈平行直线。2气隙磁通3基础知识二：磁阻与磁导l: 磁路长度 S: 磁路横截面导体导磁率F（10-3H/m量级）空气导磁率0 =410-7H/m4基础知识三：等效磁路l1/A1l2/A2l3/A3G1G2G35线圈电感：由磁路欧姆定律，磁通定义为：其中：L:线圈电感；：磁通；W:线圈匝数； I:线圈电流；Rmi

2、:第i段磁路磁阻磁链定义为：磁势：磁压降磁阻6概述变磁阻式传感器： 利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感L或互感M）变化来检测非电量的机电转换装置。按照工作原理分类：自感式： L变化差动变压器式：M变化电涡流式： L、M变化按结构分类：气隙式电感传感器（是一种闭磁路结构形式）螺管式电感传感器（是一种开磁路结构形式）7l2S2S16.1 电感式传感器一、简单电感传感器线圈铁芯衔铁Usr89简单电感传感器的工作原理W:线圈的匝数 I:线圈中的电流 ：磁路磁通 RM:磁路总磁阻为何是2？10当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数, 只要改变或S均可导致电感变化, 因此变磁阻式传

3、感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。111、变间隙简单电感传感器的输出特性向上移动： 向下移动： L0L0-+L1-L212变间隙简单电感传感器的输出特性提示：当有两个铁芯，并采用差动结构时：结论：灵敏度提高，非线性减小。13Conclusions:减小0，增大灵敏度。L/Lf(）为非线性，而且当/ ，非线性增大。非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取/ =0.10.2，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。与 引起的L的变化大小不同，且越大， L相差越大。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。 特点:

4、与变间隙电容相似。142、电感传感器的等效电路分析ReRhRcCL铜损电阻（ Rc ）;铁芯的涡流损耗电阻（ Re ）;磁滞损耗电阻（ Rh ）;寄生电容（C）.Lcp：每匝线圈平均长度；d：导线的直径。t：铁芯厚度；p：涡流穿透深度15不考虑寄生电容、磁滞损耗的等效电路：ReRcLLReRc铁损的串联等效电阻Re比Re小；L比L小。分析讨论：16减小对L的影响的措施：减小铁损的具体办法：1）铁芯采用迭片式结构2）采用电阻率大的铁氧材料增大Re 增大(Re / l) 减小Re Re整流-低通滤波-去直流分量-复现原调制信号。解调电路：技术路线：75差动整流检波测量电路abcd76差动整流检波测

5、量电路1）方波发生电路77782）电流放大电路793）精密整流电路8081加法电路1.讨论两半波整流器的输入信号特点。2.讨论两半波整流器的输出信号特点。3.加法器的作用相敏。见黑板！82一阶低通滤波器83低频高频84一阶低通滤波器的波特图85设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点电位，电表指示为零。 以差动电感为例说明相敏整流电路的原理：差动电感传感器相敏整流交流电桥86当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-Z。如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、

6、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。同

7、样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。 87相敏整流交流电桥仿真88L1增大， L2增大。89L2增大， L1增大。904、应用差动变压器传感器是将被测的非电量转换成线圈互感量变化，并且其次级绕组采用差动形式连接。目前应用最多的是螺线管是差动变压器，它可以测量1100mm范围以内的机械位移量.测振动、加速度测挠度91袖珍型差动变压器位移变送器MSC710是一个单通道LVDT传感器。由于严实、牢固的结构，它不仅能在实验室也能在工业中应用。安装、操作简单。应用 为工业部门产品和实验室而设计的测量和检测设

8、备。-公差质量控制；-高度尺寸检测；-试验台、试验站；-流动试验车。92振动和加速度的测量衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。93左图所示差动变压器式力传感器：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。载荷测量94张力测量95压力测量966.3 电涡流传感器一、工作原理电涡流传感器采用的是感应电涡流原理。当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流

9、频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。97电涡流的形成线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H1位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流涡流也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反H2的作用引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化:电阻率；:导磁率；r：线圈半径等几何尺寸；I:线圈电流；f:频率；X:距离。98二、电涡流等效电路分析UsrR1L1R2L2I1I2M99线圈等效电感：100品质因素或：无涡流影响时线圈的Q值101Conclusions：电涡流效应使得等效电阻增大、等效电感

10、减小，品质因素减小。电涡流效应消耗能量等效电阻等效电感、等效阻抗、品质因素与M平方有关，是距离x的非线性函数。电涡流效应与距离x的关系：XH2电涡流效应L Q102103线圈对性能的影响电涡流的径向形成范围(x固定）结论：涡流密度在线圈外径处最大；范围随外径变化；在r1.8ras处，涡流衰减为最大值的5。11电涡流密度J与半径r的关系曲线J0最大电涡流密度104电涡流沿金属表面法向的贯穿深度z深度电流密度表面电流密度贯穿深度与频率有关，频率低，深度深。105轴向磁感应强度与距离x、 ras的关系xrasras分布范围大变化梯度小线性范围大灵敏度小ras与上相反BP：轴向磁感应强度ras大ras

11、小x/rasBP磁感应强度沿轴向分布106被测体对电涡流测量的影响被测体是传感器的组成部分;被测导体的电导率越高，灵敏度越高;磁性体的灵敏度比非磁性体低:对等效电感L：电涡流效应使其减小被测物为导磁体，导磁体的作用使得L，磁效应抵消电涡流效应。所以，被测物是磁性体，灵敏度较非磁性体低。一般采用较高的激励频率；(数十千Hz）镀层对测量有影响；对被测体的大小有要求。107三、电涡流传感器的结构采用了最常用的结构形式高频反射式结构.108涡流探头外形结构及应用109四、测量电路被测参数变化品质因数Q较少使用等效阻抗Z交流电桥等效电感L谐振电路谐振电路调幅电路调频电路1101、调幅式测量电路原理：线圈

12、电感 L与固定电容C组成谐振回路，当激振频率与谐振频率相等时，LC回路的阻抗最大；由于涡流使得L变化时，谐振频率变化，等效阻抗变化。振荡器f0放大检波滤波LRCUSC等效电阻111LC谐振频率为：等效阻抗：R-等效电阻，对灵敏度有影响；0-激励频率。由于激励频率很高，故：112等效阻抗：113114fZf0f1f2f3Z0Z1Z2Z3R0R1R2L1L2L3Q0Q1Q2Q3f0f1f2f3对非磁性材料，谐振频率右移；对磁性材料，谐振频率左移。涡流增大方向115Conclusions：当f0 = f时，输出电压最大;对非磁性体，涡流增大使得L1减小、R1增大、谐振频率增高;输出电压减小;谐振频率

13、、谐振曲线向高频方向移动;输出电压U与涡流参数之间呈单调非线性关系.最大输出：116117fUf0f1f2频率始终等于谐振频率，幅值始终为谐振曲线峰值2、调频测量电路-调频鉴幅式118放大限幅鉴频滤波XU鉴频器将振荡的频率信号转换为电压输出信号。调频测量电路-直接频率输出119谐振式鉴频式将传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路,谐振频率为： 传感器(电感）的变化使调频振荡器的振荡频率发生相应变化，在小范围内，振荡频率与被测量的变化呈线性关系。且谐振时回路的等效阻抗最大。当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测

14、出传感器的被测值。120五.应用电涡流传感器具有结构简单、抗干扰能力强、非接触测量等特点转速测量计数测厚度探伤测振动测温测位移121122相对轴位移指的是轴向推力轴承和导向盘之间在轴向的距离变化。轴向推力轴承用来承受机器中的轴向力，它要求在导向盘和轴承之间有一定的间隙以便能够形成承载油膜。一般汽轮机在0.20.3mm之间，压缩机组在0.40.6mm之间。如果小于这些间隙，轴承就会受到损坏，严重的导致整个机器损坏；因此需要监测轴的相对位移以测量轴向推力轴承的磨损情况。相对轴位移的测量123124发射线圈1 和接收线圈2分别放在被测材料G的上下低频(音频范围)电压e1 加到线圈1 的两端后，在周围

15、空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流 ，此涡流损耗了部分能量，使贯穿2的磁力线减少，从而使2产生的感应电势e2 减小。e2 的大小与G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，e2 随材料厚度h增加按负指数规律减小。125126127本章要点电感式传感器的工作原理、结构组成、性能特点差动变压器式传感器的工作原理、结构组成、性能特点电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其应用典型相敏测量电路作业：61、65128自感式(变磁阻式)传感器互感式传感器变隙式螺线管式电涡流式129交流电桥1.灵敏度是单线圈式的两倍2.线性度得到明显改善变压器式交流电桥输出指示无法判断位移方向差动整流电路结构简单，不需考虑相位调整，消除了零点残余电压相敏检波电路输出不仅反映了位移的大小而且反映了位移的方向调频式电路调幅式电路130作业 习题 58，9试证明图617所示差动变压器输出为V形特征。设（1）电感线圈铜损、铁损及漏磁均忽略并在理想空载条件下求证。（2）原边线圈匝数N11N12=N1，副边线圈匝数N21=N22=N2。131已知一差动整流电桥电路如图所