第03章 变磁阻式传感器
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衔铁位移变化 → 线圈互感变化
• 初、次级间的互感随衔铁移动而变 • 两个次级绕组按差动方式连接
开路输出电压： 次级线圈感应电势之差
( ) •
•
•
•
U o = E 21 − E 22 = − jω M 1 − M 2 I
16
3.1 差动变压器的类型 有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型 。
17
3.2 传感特性
2.7.2 谐振电路 1) 线圈电感量变化＝》谐振曲线移动。 2) 激励源频率为f ,工作点在等频率的垂线上移动，
例如：B点移至A点，输出电压的幅值就发生相应变化。 1) 特点：灵敏度高，非线性严重。 用于单线圈自感式传感器，测量范围小或线性度不高场合。
(1)一般形式
(2)变压器电桥13
14
2.7.3 调频电路
第03章 变磁阻式传感器
1. 磁路基础 1.1 环形螺线管
d
2
1.2 通电直螺线管的磁场 螺线管长度L >> 直径R Hz的横截面分布近似均匀
3
1.3 含铁芯的磁路
横截面S
H
磁通Φ
4
1.3 含气隙的磁路
变磁阻式传感器简介
变磁阻式传感器是将被测量转换成电感或互感变化的传感 器。按其转换方式的不同，可分为
恒定灵敏度 K ' = W 2μ0 lδ + l / μr
忽略气隙磁通边缘效应 →
输出特性为线性 → 大线性范围。
灵敏度低于变气隙式。 欲提高灵敏度，需减小lδ，
9
2.5 螺管式自感传感器
衔铁插入深度变化 → 线圈路径磁阻变化 → 线圈电感变化
10
2.6 差动式自感传感器 由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。
性能提高？
2.7 自感式传感器的测量电路 z 差动电桥电路 z 谐振电路 z 调频电路 z 相敏检波电路
11
12
2
2.7.1 电桥电路 自感式传感器常用的交流电桥有2种： 例：输出端对称电桥 (1) 一般形式：Z1、Z2为传感器两线圈阻抗 。 (2) 变压器电桥：以变压器两次级作为电桥平衡臂。
元件少，输出阻抗小，电桥开路时呈线性，应用较 广。
18
3
哪个是自感式，哪个是互感式？
1. 灵敏度有何特点？ 2. 线性度有何特点？
19
LVDT的应用
21
Operation 1. Generating an
electromagnetic field. 2. Metal object advances into
the field, eddy currents induced. 3. Loss of energy and a smaller amplitude of oscillation 4. The detector circuit then recognizes a specific change in amplitude and generates a signal which will turn the solid-state output “ON” or “OFF”
•自感型
•互感型
应用很广
测量: 力、力矩、压力、位移、速度、振动等参数
动态特性：静态测量或动态测量。
优点：
• 输出功率大（1vA～5vA），不经放大而直接指示。
• 结构简单，工作可靠，可在工业频率下稳定工作。
5
6
1
2. 自感式传感器 2.1 自感 磁链与回路电流的比值
L = Ψ = NΦ = N ⋅ NI = N 2 I I I Rm Rm
2.2 气隙带铁芯线圈的自感
Rm
=
l μr μ0S
+
2δ μ0S
L Байду номын сангаас N 2μ0S l μr + 2δ
U A I 1 2
δ 3
7
2.3 变气隙式自感传感器
气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的
L = W 2μ0μeS = K
1
l
lδ + l / μr
K = μ0W 2 S
显著非线性
灵敏度
Kδ
=
dL dlδ
传感器线圈L变化→振荡器的输出频率变化
用阶梯形无骨架线圈，使衔铁位移变化与输出频差呈线性。 频率信号：抗干扰能力很强，电缆长度可达1km，特别适合 于野外现场使用。
图3.10 电感调频式位移传感器结构图
1.谐振电容；2.调频振荡器；3.电感线圈；4.磁性套筒；5.导杆(衔铁) 15
3. 互感式传感器（Liner Variable Differential Transformer ） 简称LVDT，差动变压器
22
Application - Positioning
24
4
Application - Positioning
转速测量
25
26
Security-Metal detection
27
28
Metal - detection
29
5
例：Π型LVDT输出特性：
•
U0
=
•
−U
W1
W2
Δδ δ0
K = U 0 = U W2 Δδ δ 0 W1
δ为初始气隙；W1为初级线圈匝数；W2为次级线圈匝数； Δδ为衔铁上移量。
1. 输出电压U0与衔铁位移Δδ成比例，本质线性。 2. 灵敏度随电源电压U和变压比W2、W1的增大而提高，
随初始气隙减小而增大。
23
电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移 测量能转换成位移变化的其他参数： ⑴位移与尺寸 ⑵压力、流量 ⑶力和力矩 ⑷振动
20
4、感应式传感器
4.1 感应式接近开关 Inductive Proximity sensors
z A coil on a ferrite core z An oscillator （LC） z A trigger-signal level detector z An output circuit.
= −L lδ
1 + l / μr
lδ小 → 灵敏度高 为保证一定的测量范围与线性度，
常取δ＝lδ/2＝0.1～0.5ｍｍ， Δδ＝(0.1～0.2)δ。
8
2.4 变面积式自感传感器 lδ不变，磁通截面积S随被测非电量而变（衔铁水平移动）
L = W 2μ0 ⋅ S = K'S lδ + l / μr
• 初、次级间的互感随衔铁移动而变 • 两个次级绕组按差动方式连接
开路输出电压： 次级线圈感应电势之差
( ) •
•
•
•
U o = E 21 − E 22 = − jω M 1 − M 2 I
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3.1 差动变压器的类型 有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型 。
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3.2 传感特性
2.7.2 谐振电路 1) 线圈电感量变化＝》谐振曲线移动。 2) 激励源频率为f ,工作点在等频率的垂线上移动，
例如：B点移至A点，输出电压的幅值就发生相应变化。 1) 特点：灵敏度高，非线性严重。 用于单线圈自感式传感器，测量范围小或线性度不高场合。
(1)一般形式
(2)变压器电桥13
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2.7.3 调频电路
第03章 变磁阻式传感器
1. 磁路基础 1.1 环形螺线管
d
2
1.2 通电直螺线管的磁场 螺线管长度L >> 直径R Hz的横截面分布近似均匀
3
1.3 含铁芯的磁路
横截面S
H
磁通Φ
4
1.3 含气隙的磁路
变磁阻式传感器简介
变磁阻式传感器是将被测量转换成电感或互感变化的传感 器。按其转换方式的不同，可分为
恒定灵敏度 K ' = W 2μ0 lδ + l / μr
忽略气隙磁通边缘效应 →
输出特性为线性 → 大线性范围。
灵敏度低于变气隙式。 欲提高灵敏度，需减小lδ，
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2.5 螺管式自感传感器
衔铁插入深度变化 → 线圈路径磁阻变化 → 线圈电感变化
10
2.6 差动式自感传感器 由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。
性能提高？
2.7 自感式传感器的测量电路 z 差动电桥电路 z 谐振电路 z 调频电路 z 相敏检波电路
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12
2
2.7.1 电桥电路 自感式传感器常用的交流电桥有2种： 例：输出端对称电桥 (1) 一般形式：Z1、Z2为传感器两线圈阻抗 。 (2) 变压器电桥：以变压器两次级作为电桥平衡臂。
元件少，输出阻抗小，电桥开路时呈线性，应用较 广。
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3
哪个是自感式，哪个是互感式？
1. 灵敏度有何特点？ 2. 线性度有何特点？
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LVDT的应用
21
Operation 1. Generating an
electromagnetic field. 2. Metal object advances into
the field, eddy currents induced. 3. Loss of energy and a smaller amplitude of oscillation 4. The detector circuit then recognizes a specific change in amplitude and generates a signal which will turn the solid-state output “ON” or “OFF”
•自感型
•互感型
应用很广
测量: 力、力矩、压力、位移、速度、振动等参数
动态特性：静态测量或动态测量。
优点：
• 输出功率大（1vA～5vA），不经放大而直接指示。
• 结构简单，工作可靠，可在工业频率下稳定工作。
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2. 自感式传感器 2.1 自感 磁链与回路电流的比值
L = Ψ = NΦ = N ⋅ NI = N 2 I I I Rm Rm
2.2 气隙带铁芯线圈的自感
Rm
=
l μr μ0S
+
2δ μ0S
L Байду номын сангаас N 2μ0S l μr + 2δ
U A I 1 2
δ 3
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2.3 变气隙式自感传感器
气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的
L = W 2μ0μeS = K
1
l
lδ + l / μr
K = μ0W 2 S
显著非线性
灵敏度
Kδ
=
dL dlδ
传感器线圈L变化→振荡器的输出频率变化
用阶梯形无骨架线圈，使衔铁位移变化与输出频差呈线性。 频率信号：抗干扰能力很强，电缆长度可达1km，特别适合 于野外现场使用。
图3.10 电感调频式位移传感器结构图
1.谐振电容；2.调频振荡器；3.电感线圈；4.磁性套筒；5.导杆(衔铁) 15
3. 互感式传感器（Liner Variable Differential Transformer ） 简称LVDT，差动变压器
22
Application - Positioning
24
4
Application - Positioning
转速测量
25
26
Security-Metal detection
27
28
Metal - detection
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例：Π型LVDT输出特性：
•
U0
=
•
−U
W1
W2
Δδ δ0
K = U 0 = U W2 Δδ δ 0 W1
δ为初始气隙；W1为初级线圈匝数；W2为次级线圈匝数； Δδ为衔铁上移量。
1. 输出电压U0与衔铁位移Δδ成比例，本质线性。 2. 灵敏度随电源电压U和变压比W2、W1的增大而提高，
随初始气隙减小而增大。
23
电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移 测量能转换成位移变化的其他参数： ⑴位移与尺寸 ⑵压力、流量 ⑶力和力矩 ⑷振动
20
4、感应式传感器
4.1 感应式接近开关 Inductive Proximity sensors
z A coil on a ferrite core z An oscillator （LC） z A trigger-signal level detector z An output circuit.
= −L lδ
1 + l / μr
lδ小 → 灵敏度高 为保证一定的测量范围与线性度，
常取δ＝lδ/2＝0.1～0.5ｍｍ， Δδ＝(0.1～0.2)δ。
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2.4 变面积式自感传感器 lδ不变，磁通截面积S随被测非电量而变（衔铁水平移动）
L = W 2μ0 ⋅ S = K'S lδ + l / μr