变磁阻式传感器
电感式传感器PPT课件
2
LC
2LC
Q2
(1
2LC)2
2LC Q
2
(4-17)
第4章 电感式传感器
当Q>>ω2LC且Ω2lc<<1
Z
R
(1 2LC)2
;
令
L'
L
(1 2LC)2
则
Z R' jL'
从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及 有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它 会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量 中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的 灵敏度重新进行校准。
为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙 式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全 一致。
第4章 电感式传感器 图4-3 差动变隙式电感传感器
第4章 电感式传感器 4.1.3 测量电路
电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥 以及谐振式等。
1.
从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电 感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线 绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有 功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。 于是可得到电感式传感器的等效电路如图4-4所示。
其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动， 使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。 即一个电感量增大，一个电感量减小。电感的这种变化通 过电桥电路转换成电压输出，所以只要用检测仪表测量出 输出电压，即可得知被测压力的大小。
第4章 电感式传感器 4.1.5
《传感器原理及工程应用》课后答案
第1章传感器概述1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语： 1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
第1章传感器答案：3．答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
4．答：①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。
②传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。
④变送器：能输出标准信号的传感器第2章传感器特性1．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？2．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。
当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。
3．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比，相角各为多少？ε=0.7时，，又为多少？4．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。
5. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。
6. 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
7．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。
8．某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。
3电感式_自感式传感器解析
1 2
l 2 x
r
δ
3
2ra
1
变间隙型、变面积型
图4-1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图4-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
螺管型
一、工作原理（变间隙型）
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙δ 隔开。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致 了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下
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，设A点电位为正，B点电位为负， 二极管V1、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。
四、转换电路
1、调幅电路
调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，它的作用是 将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交 流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工 作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕 组或紧耦合电感线圈。
当衔铁上移时：L2 L0
0
有下式：
L2 ( )2 ( )3 ...... L0 0 0 0
忽略高次非线性项Δ L与L0和Δ δ 成线性关系。同时由 于Δ L1与Δ L2不等，故在测量范围较小时，测量精度才高， 故此类适于小位移测量。
传感器原理及检测技术
传感器原理及检测技术传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电⼦学、光学、声学、精密机械、仿⽣学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和⾼新技术密集型前沿技术之⼀，是现代新技术⾰命和信息社会的重要基础，是⾃动检测和⾃动控制技术不可缺少的重要组成部分。
⽬前，传感器技术已成为我国国民经济不可或缺的⽀柱产业的⼀部分。
传感器在⼯业部门的应⽤普及率⼰被国际社会作为衡量⼀个国家智能化、数字化、⽹络化的重要标志。
传感器技术是新技术⾰命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的⼀个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三⼤⽀柱之⼀。
如果说计算机是⼈类⼤脑的扩展，那么传感器就是⼈类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，⼈们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展⽽惊呼“⼤脑发达、五官不灵”。
从⼋⼗年代起，逐步在世界范围内掀起了⼀股“传感器热”。
美国早在80年代就声称世界已进⼊传感器时代，⽇本则把传感器技术列为⼗⼤技术之创⽴。
⽇本⼯商界⼈⼠声称“⽀配了传感器技术就能够⽀配新时代”。
世界技术发达国家对开发传感器技术部⼗分重视。
美、⽇、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之⼀。
美国国家长期安全和经济繁荣⾄关重要的22项技术中有６项与传感器信息处理技术直接相关。
关于保护美国武器系统质量优势⾄关重要的关键技术，其中８项为⽆源传感器。
美国空军2000年举出15项有助于提⾼21世纪空军能⼒关键技术，传感器技术名列第⼆。
⽇本对开发和利⽤传感器技术相当重视并列为国家重点发展６⼤核⼼技术之⼀。
⽇本科学技术厅制定的90年代重点科研项⽬中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关。
美国早在80年代初就成⽴了国家技术⼩组（BTG），帮助政府组织和领导各⼤公司与国家企事业部门的传感器技术开发⼯作。
美国国防部将传感器技术视为今年20项关键技术之⼀，⽇本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为６⼤核⼼枝术，德国视军⽤传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。
第四章 变磁阻式传感器
（4-9）
(4-10)
(4-11)
变磁阻式传感器
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同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动∆δ时，有 ∆δ ∆δ 2 ∆δ 3 ∆δ （4-12） 1 − ∆L = L − L0 = − L0 + δ − δ + L δ0 δ0 0 0 ∆δ ∆δ 2 ∆δ 3 ∆L ∆δ 1 − =− + δ − δ + L （4-13） L0 δ0 δ0 0 0 对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得
Z1 ＋ & U － B A
Z2
o
Z 2 − Z1 U U0 = Z + Z ⋅ 2 1 2
.
.
图4-5 变压器式交流电桥
变磁阻式传感器
当传感器衔铁上移：如Z1=Z+∆Z，Z2=Z－∆Z，
& & & = − ∆Z U = − ∆L U Uo Z 2 L 2
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当传感器衔铁下移：如Z1=Z－∆Z，Z2=Z+∆Z， 此时
2、金属板的电阻率ρ或金属板的磁导率µ
可用于材质鉴别或无损探伤。
特点：可用于动态非接触测量，测量范围0~1500um，分辨 力可达1um，且结构简单方便可靠。
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产品： 产品：
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案例： 案例：板的厚度测量
~
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线线 衔铁
A
线圈的等效电感为：
.
ω 2M 2 j ωL1 − 2 ωL2 R2 + (ωL2 ) 2
可变磁阻式车速传感器原理
可变磁阻式车速传感器原理
可变磁阻式车速传感器原理是利用线圈自感量的变化来实现测量的。
可变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，其可以用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其他参数力、张力、压力、压差、应变、转短、速度和加速度。
磁阻式转速传感器的特点如下：
灵敏度高。
磁阻式转速传感器能够非常灵敏地感应外界磁场变化，并将其转化为电信号输出，测量精度较高。
响应速度快。
由于磁阻效应的特性，磁阻式转速传感器的响应速度非常快，能够实时监测外界磁场变化以及被测物理量的变化。
传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器：
利用线圈自感量的变化来实现测量的。
铁芯
传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部
线圈
分组成。
工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如
硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分
与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生
3
差动变
2 截面式
4
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
§4.1 变磁阻式电感传感器
六、自感式传感器的等效电路
L U L2
~
I
C
U
Z1
2
A
U 2
Z2
U 0
D
B
U o
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
Z Z
U 2
L U L2
当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。
§4.1 变磁阻式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
2、变压器式交流电桥
§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
三种基本类型： 在实际使用中，常采用两个相同的传感线
圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
44
3
差动结构的特点：
（1）改善线性、提高灵敏度外；
（2）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
磁电式传感器
➢因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率， μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半 导体材料。
➢霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元 件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
一般频响范围：10Hz~2kHz。
（二）变磁通式
又称为变磁阻磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的 角速度。结构原理如下图。
1、开磁路变磁通式
工作原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材 料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一 个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就 变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量 齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。
（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）
1、结构组成：
转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁） 固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和 槽。
2、测量原理：
➢测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈 和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。
➢安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传 感器的定子槽与其转子齿相对。
定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转 速）转换成电信号的一种传感器。
分类： 磁电感应式传感器； 霍尔式传感器； 磁栅式传感器。
第一节 磁电感应式传感器
▪ 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动 式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在 导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量 变换型传感器。
在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁 （极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60， 其中Z为测量齿轮的齿数。
传感器技术 第5章 变磁阻式传感器
U
sc
U sr 4
j
R 0 j L 0 ( 2 L 0 0 )
U sr
j L 0 ( R 0 j L 0 )
2 0 ( R 0 j L 0 )( R 0 j L 0 )
U sr 2
j R0
0
L0 0
1 ( R0 )2
L0
U sr 2
j 1
0
Q 0
1
1 Q2
(5.10)
0
0
0
0
0
同理, 如衔铁向下移动Δδ时, 传感器气隙将增
大, 即为δ=δ0+Δδ, 电感量的变化量为
相对变化量L为L0LL00
LL 0 0 ( 0)2( 0)3
第5章 变磁阻式传感器
由(5.6)式和(5.7)式可以看出, 当忽略高次项时, ΔL 才与Δδ成比例关系。 当然, Δδ/δ0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。 然而, 这又会使传感器的量程变小。 所以, 对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是 相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取 Δδ/δ0=0.1~0.2。
当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时, 两边气隙 不等, 两只电感线圈的电感量一增一减, 电桥失去平衡。 电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例, 其相位则与衔铁移动方向有关。 假定向上移动时输出 电压的相位为正, 而向下移动时相位将反向180°为负。 因此, 如果测量出电压的大小和相位, 就能决定衔铁位 移量的大小和方向。
第5章 变磁阻式传感器
差动变压器有多种结构形式。 图5.3(a)的Π形结构, 衔铁为平板形, 灵敏度较高, 但测量范围较窄, 一般用于 测量几微米到几百微米的机械位移。 图5.3(b)是衔铁为 圆柱形的螺管形差动变压器, 可测一毫米至上百毫米的 位移。 此外还有衔铁旋转的用来测量转角的差动变压 器, 通常可测到几角秒的微小角位移。
常用传感器工作原理(磁电式)
在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线圈， 在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线圈，当线 圈在磁场中作直线运动或旋转运动时， 圈在磁场中作直线运动或旋转运动时，所产生的感应电动 势 e为 ：
e = −NBlvsinθ e = −kNBSω
这类传感器的基本形式是 速度传感器，能直接测量 速度传感器， 因此， 线速度或角速度 。因此， 磁电感应式传感器只适用 于动态测量。 于动态测量。
磁电式传感器直接输出感应电势， 磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常有较高 的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。 的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传 感器是速度传感器，若要获取被测位移或角速度， 感器是速度传感器，若要获取被测位移或角速度，则要 配用积分或微分电路。 配用积分或微分电路。其中虚线框内整形及微分部分电 路仅用于以频率作为输出时。 路仅用于以频率作为输出时。
62磁阻式磁电传感器测量齿轮由导磁材料制成安装在被测旋转体上随之一起转动每转过一个齿传感器磁路磁阻变化一次线圈产生的感应电动势的变化频率rs等于测量齿轮上齿轮的齿数n和转速的nrmin乘积
第3章 常用传感器的工作原理
3.7 磁电式传感器
将被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。 将被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。 当一个N匝线圈相对处于随时间变化的磁场中， 当一个 匝线圈相对处于随时间变化的磁场中，当穿过 匝线圈相对处于随时间变化的磁场中 它的磁通量φ发生变化时， 它的磁通量φ发生变化时，线圈产生的感应电动势 dφ
e = −N dt
磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理 量转换成线圈中的感应电动势输出。 量转换成线圈中的感应电动势输出。 工作时不需要外加电源， 工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电 量输出。是典型的有源传感器。 量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表， 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响 应低。通常在10— 适合作机械振动测量、 应低。通常在 —100HZ适合作机械振动测量、转速测量。 适合作机械振动测量 转速测量。 传感器尺寸大、 传感器尺寸大、重。 2
习题参考答案3-变磁阻式传感器
浙江大学城市学院信息分院10192091 现代传感器技术赵梦恋，吴晓波 2008-2009学年冬学期2008年12月三、变磁阻式传感器（二）习 题3-1. 分别画出正负半周下二极管环形相敏检波电路的等效电路并据此说明其工作原理（如何反映衔铁运动的大小和方向）。
答:Z 1和Z 2为传感器两线圈的阻抗，Z 3＝Z 4构成另两个桥臂，U 为供电电压，U O 为输出。
如图(b)示。
当衔铁处于中间位置时，Z 1＝Z 2＝Z ，电桥平衡，U O ＝0。
若衔铁上移，Z 1增大，Z 2减小。
(1)如供电电压为正半周，即A 点电位高于B 点，二极管D 1、D 4导通，D 2、D 3截至，如图(a)示。
在A -E -C -B 中，C 点电位由于Z 1增大而降低；在A -F -D -B 支路中，D 点电位由于Z 2减少而增高。
因此D 点电位高于C 点，输出信号为正。
(2)如供电电压为负半周，即B 点电位高于A 点，二极管D 2、D 3导通，D 1、D 4截至，如图(b)示。
在B -C -F -A 中，C 点电位由于Z 2减少而降低；在B -D -E -A 支路中，D 点电位由于Z 1增大而增高。
因此D 点电位仍高于C 点，输出信号为正。
(c)O同理证明，衔铁下移时，输出信号总为负。
故输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。
O (b)3-2. 试推导差动变压器的输出电压与△M 之间的关系。
答：根据变压器原理，传感器输出电压为两次级线圈感应电势之差：()212212O U E E j M M I ω∙∙∙∙=-=--当衔铁在中间位置时，若两次级线圈参数与磁路尺寸相等，则12M M M ==，0O U ∙=。
当衔铁偏离中间位置时，12M M ≠，在差动工作时，有11M M M =+∆，22M M M =-∆。
在一定范围内，12M M M ∆=∆=，差值()12M M -与衔铁位移成比例，即 21222O U E E j M I ω∙∙∙∙=-=-∆。
变磁阻式传感器的工作原理
变磁阻式传感器的工作原理
嘿，咱就说说这变磁阻式传感器啥工作原理哈。
哎呀呀，这变磁阻式传感器听起来挺高深，其实也不难理解啦。
你想啊，这变磁阻式传感器就像个小侦探，专门探测磁场的变化呢。
它里面有个线圈，还有个铁芯啥的。
这线圈就像个小弹簧，铁芯就像个小铁棍。
当有磁场变化的时候，这个铁芯就会受到影响。
比如说，磁场变强了，铁芯就会被吸进去一点；磁场变弱了，铁芯就会弹出来一点。
哇，这就像有个小磁铁在拉着铁芯一样。
这个铁芯的移动呢，就会让线圈的电感发生变化。
电感是啥呢？哎呀，咱也别管那么多，反正就是线圈的一种特性啦。
电感变化了，就会产生电流或者电压的变化。
这就像咱拉弹簧的时候，弹簧会有不同的长度，这个长度的变化就会引起别的东西的变化。
然后呢，这个电流或者电压的变化就可以被测量出来啦。
通过测量这个变化，咱就能知道磁场的变化情况。
就像咱看温度计，通过温度计上的刻度变化，咱就能知道温度的变化。
比如说，要是有个东西靠近这个传感器，它的磁场就会影响传感器里面的磁场。
这时候，传感器就会感受到这个变化，然后把这个变化变成电信号传出来。
哇，这就像有个小间谍在报告情况一样。
而且啊，变磁阻式传感器还可以很灵敏呢。
只要磁场有一点点变化，它就能察觉到。
就像咱的耳朵很灵，能听到很小的声音一样。
哎呀，这变磁阻式传感器的工作原理虽然有点复杂，但其实也不难嘛。
有了它，咱就能探测到很多磁场的变化，可方便啦。
压力传感器的种类
能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器。
压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构型式多种多样，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。
此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。
采用压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，便于满足自动化系统集中检测与控制的要求，因而在工业生产中得到广泛应用。
压力传感器的类型：01应变式压力传感器应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。
根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。
应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。
当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。
当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。
只要测出加在电阻两端的电压的变化，即可获得应变金属丝的应变情况。
02压阻式压力传感器压阻压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
它又称为扩散硅压阻压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
压阻压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistive effect）。
压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。
不同于压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。
大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。
其中半导体材料中的压阻效应远大于金属。
由于硅是现今集成电路的主要原料，以硅制作而成的压阻性元件的应用就变得非常有意义。
硅的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻，这使得其程度因子大于金属数百倍之多。
第2-3章 电感式传感器
W2b 的互感Mb 相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即
e2a=e2b 。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压 . Uo=e2a-e2b=0。 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相 应 的 变 化 ， 使 δa≠δb ， 互 感 Ma≠Mb ， 两 次 级 绕 组 的 互 感 电 势 . e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出， 此 电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。
则式（2-3-3）可写为
（2-3-4）
2 Rm 0 A0
（2-3-5）
联立式（2-3-1）、 式（2-3-2）及式（2-3-5）， 可得
W 2 W 2 0 A0 L Rm 2
（2-3-6）
W 2 W 2 0 A0 L Rm 2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁 路中磁阻Rm 的函数，改变δ或A0 均可导致电感变化，
1
差动变隙式电感传感器
衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1 、ΔL2 分别由
式（2-3-10）及式（2-3-12）表示， 差动传感器电感的
总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2, 具体表达式为
L L1 L2 2 L0 1 0 0
对上式进行线性处理, 即忽略高次项得
当衔铁下移时：
U0 U
0
2. 变压器式交流电桥
C ＋ U 2 － ＋ U －2 D
U
Z1 ＋ U － A
Z2
o
B
变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流
变压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥
4.1.2 变磁阻式传感器输出特性
• 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；
一般Δ/δ0= 0.1-0.2； • 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。
3
4.1.2 输出特性
差动式原理： 差动变隙式由两个相 同的线圈和磁路组成。 当被测量通过导杆使 衔铁左右位移时，两 个回路中磁阻发生大 小相等、方向相反的 变化，形成差动形式。
6
4.1.2 输出特性
电感初始气隙 0处初始电感量为L0
L
L0
N 20S0 2 0
L0+ΔL0
L0 L0－ΔL0
衔铁位移Δ引起的电感变化为：
σ0
σ
L
L0
LBiblioteka N 20S0 2(0 )
N 20S0 2 0
(1 )
1
L0
0
0
1
4.1.2 输出特性
4
4.1.2 输出特性
电感的变化为：
L
L1
L2
2L0
0
[1
(
0
)2
(
0
)4
]
对上式进行线性处理并忽略高次项： L 2
差动式灵敏度为： L
L0
0
K0
L0 2
0
5
4.1.2 输出特性
结论： • 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； • 差动式非线性项比单线圈多乘了(Δ/δ0)因子； • 不存在偶次项，因Δ/δ0 <<1，线性度得到改善。 • 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。
Δ / 《1时，用泰勒级数展开
磁阻效应及磁阻传感器的特性研究
实验14 磁阻效应及磁阻传感器的特性研究磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。
和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。
若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。
磁阻效应还与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样强度的磁场作用下，其电阻大小不同，该效应称为几何磁阻效应。
由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。
目前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。
一、实验目的1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法。
2、测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。
3、作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并进行相应的曲线和直线拟合。
4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。
5、观测在弱正弦交流磁场中，磁阻传感器的交流倍频特性。
二、实验预习问题1、由于严禁在带电情况下对励磁线圈插拔，实验中插拔励磁电流连线之前如何操作？2、打开电源前，测试仪的“I M/F调节”和“Is调节”必须处在什么位置？3、磁阻效应是怎样产生的？磁阻效应和霍尔效应有何内在的联系？4、什么是横向磁阻效应，什么是纵向磁阻效应？5、请简述横向磁阻效应的产生机理。
6、实验时为何要保持霍尔工作电流和流过磁阻元件的电流不变？7、磁阻公式如何表示？8、不同的磁场强度时，磁阻传感器的电阻值与磁感应强度关系有何规律？三、实验原理一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的改变而变化的现象称为磁阻效应。
如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。
如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大。
第3章 变磁阻式传感器
图3.4 电阻平衡臂电桥电路
图3.5 变压器式交流电桥测量电路
3．调幅电路 当传感器线圈电 量变化时，谐振曲线 将左右移动，工作点 就在同一频率的纵坐 标直线上移动（如移 至B点），于是输出 电压的幅值就发生相 应的变化。 4．调频电路 调频电路的基本 原理是传感器电感L 变化将引起输出电压 频率的变化。
第3章 变磁阻式传感器
当 u2 与 u0 同处于负半周时， VD1 、 VD4 导通， VD2 、 VD3 截止，同样有两 条电流通路，等效电路如图3.16所示。电流通路1为 u01 →RL→ u21 → u21 →A→R→VD1→C→ u01 电流通路2为 u02 →D→R→VD4→A→ u21 → u21→RL→ u02
波形。
图3.12 差动整流电路图
第3章 变磁阻式传感器
图3.13 差动整流波形
2．相敏检波电路
图3.14 二极管相敏检波电路
u0处于正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，形成两条电流 通路，等效电路如图3.15所示。电流通路1为 u01 →C→VD2→B→ u22 → u22 →RL→ u01 电流通路2为 u u u02 u →RL→ 22 → 22 →B→VD3→D→ 02
交变磁场的频率f 越高，电涡流的渗透深度就越浅， 趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的 检测深度。
第3章 变磁阻式传感器
圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图
a）直流电流时的均匀分布 b）中频电流时中心部位电密度减小 c）高频电流时，电流线趋向表面分布
第3章 变磁阻式传感器
YD9800系列电涡流位移传感器特性
图3.24 变间隙式差动电 感压力传感器
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（1）差动整流电路
(a)半波电压输出 (b)全波电压输出 （适用于高阻抗负载）
(c)半波电流输出(d)全波电流输出 （适用于低阻抗负载）
电阻R0用于调整零点残余电压
（2）相敏检波电路
(a)被测位移变化波形图；
相
敏
(b)差动变压器激励电压波形；
灵敏度高分辩力大：能测出0.01μm甚至更小的机械位
移变化，能感受小至0.1″的微小角度变化。传感器的输 出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏， 因此有利于信号的传输与放大；
重复性好线性度优良：在一定位移范围（最小几十微
米，最大达数十甚至数百毫米）内，输出特性的线性 度好，并且比较稳定，高精度的变磁阻式传感器，非 线性误差仅0.1%。
缺点： 存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。
第一节 电感式传感器
一、工作原理
L W W 2 I I Rm
L ——线圈自感量； Ψ——线圈总磁链，单位：韦伯； I——通过线圈的电流，单位：安培； W——线圈的匝数； Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。
a)气隙型
b)截面型
c)螺管型
Rm
L1
差动变压器输出电压特性曲线
二、基本特性
当次级开路时，初级线圈激励电流为
I1
r1
U 1
jL1
则次级绕组中感应电势为
E 2a jM1I1
E 2b jM2 I1
次级两绕组反相串联，则
U 2
E 2a
E 2b
jM1 M2 U1
r1 jL1
输出电压有效值
U2
M1 M2 U1 r12 L1 2
1、基本特性分析：
（1）当活动衔铁处于中间位置时
M1= M2=M
则
U2=0
（2）当活动衔铁向W2a方向移动时 M1= M+ΔM, M2= M-ΔM 故
（3）当活动衔铁向W2b方向移动时 M1= M-ΔM，M2= M+ΔM 故
U2
2MU1
r12 L1 2
U2
2MU1
r12 L1 2
2、零点残余电压及消除方法
1
0
由上可见，变隙式电感传感式用于测量微小位 移时是比较精确的。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。
差动变隙式电感传感器
1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2
L
L1 L2
2 L0
0
1
0
2
0
4
进行线性处理忽略高次项得
L L0
2
0
灵敏度k0为
k0
L / L0
2
0
（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈 式传感器的两倍。
（2）差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以 (Δδ/δ0)因子，因为(Δδ/δ0)<<1，所以，差动式的线性 度得到明显改善。
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
三、测量电路
z2
u/2
零点残余电压的危害：
（1）零点残余电压使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限 制着分辨力的提高。
（2）零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放 大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。
减小零点残余电压的措施：
（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均 匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致， 两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。
变磁阻式传感器
变磁阻式传感器是利用线圈电感或互感的改变 来实现非电量电测的。它可以把输入的各种机械物 理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参 数转换成电能量输出。
1、电感式传感器 2、变压器式传感器 3、电渦流式传感器
变磁阻式传感器的特点：
结构简单：工作中没有活动电接触点，因而，比电位
器工作可靠，寿命长；
一、工作原理
１-活动衔铁； ２-导磁外壳； ３-骨架； ４-匝数为W1初级绕组； ５-匝数为W2a的次级绕组； ６-匝数为W2b的次级绕组
1、活动衔铁处于初始平
衡位置时，U2=E2a-E2b=0,
即差动变压器输出电压为零；
2、当E2a、E2b随着衔铁
位移x变化时，U2也必将随x
变化。U2=E2a-E2b≠0
•
•
输出电压
•
U0
(Z1
Z1
•
Z2)U
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
衔铁偏离中间零点时
u0
u/2
z1
Z1 Z Z, Z2 Z Z
U0
U 2
Z Z
U 2
L L
交流变压器电路
Z1 Z Z, Z2 Z Z
U0
U 2
Z Z
U 2
L L
衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于U0是 交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。
第二节 差动变压器式传感器
差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈 互感量的变化。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的形式连接，故称 之为差动变压器式传感器。
1、变隙式 2、变面积式 3、螺线管式
第二节 差动变压器式传感器
(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器
L f1 变气隙型传感器 L f2S 变截面型传感器
二、电感式传感器输出特性
当衔铁处于初始位置时，初始电感量为
L0
W 20s0 2 0
当衔铁上移Δδ时，则 有
得到
0
L L0 L
L
L0
L
W 20s0 2( 0
)L0Leabharlann 10当Δδ/δ0 << 1时，
L L0
0
灵敏度为
k0
L / L0
1 S1
L2
1 S 2
2 0 S0
μ1 、μ2 —— 铁芯材料的导磁率；
L1 、 L2 —— 磁通通过铁芯的长度；
S1 、 S2 —— 铁芯的截面积；
μ0 —— 空气的导磁率；
S0 —— 气隙的截面积；
δ —— 气隙的厚度。
气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 ：
Rm
2 0 S0
可得
L
2
Rm
w 2 0 S0 2
（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个 二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。
（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容， 加反馈电阻或反馈电容等。
三、测量转换电路
差动变压器输出的是交流电压，若用交流 电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不 能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零 点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除 零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用 差动整流电路和相敏检波电路。