第四章 变磁阻式传感器

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U
C ＋ U 2 － ＋ U －2 D
Z1 ＋ U － A
.
Z2
o
Z 2 Z1 U U0 Z Z 2 1 2
.
B
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+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，
Z U L U Uo Z 2 L 2
变磁阻式传感器
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变磁阻式传感器也叫电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被 测量(力、位移)转化为电感量的一种装置。
被测物理量 （非电量：位移、 电磁感应 振动、压力、 流量、比重） 线圈自感系数L/ 互感系数M 电感/互感 电压或电流 （电信号）
分类:
变磁阻式传感器
电感式（自感型） 变压器式（互感型） 电涡流式
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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S0均可导致电感变化，因 此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变 气隙面积S0的传感器。 目前使用最广泛的是 变气隙厚度式 电感传感器。
变磁阻式传感器
二、
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L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图4-2所示。
☞浮子的位移变成电量： 液位升高，液体对浮子的浮力F↑，破坏平衡状态。浮子 上升，铁心上移，电感变化，输出信号改变。
工作原理:互感现象.
Eout Ew Eout
-x
x
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零点残余电压
变磁阻式传感器
二、等效电路
r1
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E E U 2 2a 2b
差动变压器等效电路
变磁阻式传感器
三、测量电路
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问题：差动变压器的输出是交流电压 ( 用交流电压表测量，只能反映衔铁 位移的大小，不能反映移动的方向); (1) 差动整流电路
线圈中电感量可由下式确定：
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W L Rm
式中, Rm为磁路总磁阻。
2
（4-1）
气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损， 则磁路总磁阻为
l1 l2 2 Rm 1S1 2 S2 0 S0
（4-2）
变磁阻式传感器
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
Z Z ( , , , ) 其中为间距，为金属电阻率， 为磁导率，为圆频率即 2f
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. . . R2 I 2 jL2 I 2 jM I1 0 . . . . R1 I1 jL1 I1 jM I 2 U1
2M 2 Z . R1 2 R 2 2 R2 (L2 ) I U
3. 谐振式测量电路 分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。
C
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U o
L
U
T
U o
O L0 L
(a )
(b )
图4-6 谐振式调幅电路 此电路灵敏度很高， 但线性差，适用于线性度要求不高的场合
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f C L
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G
f
o (a ) (b )
L
图4-7 谐振式调频电路
变磁阻式传感器
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第一节 电感式—自感型
一、原理:电磁感应
差动型 可变导磁面积型

变磁阻式传感器
l1 S1 W l2 1 L 2
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1 —线 圈 ；

2 —铁 芯 (定 铁 芯 )； 3 —衔 铁 (动 铁 芯 )
S2
±
3
图4 – 1 电感式传感器
变磁阻式传感器
周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。
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第三节 电涡流式
原理:涡流效应
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涡流效应：当块状金属导体置于交变磁场中，或 在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈 涡旋状的感应电流。
问题：产生涡流必须具备的条件是什么？
W 2 0 S0 L 2
L
L0＋L L0 L0－L
o
－
＋

图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性
变磁阻式传感器
灵敏度
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L0 2 0 S0 L K0 0 2 02
（4-15）
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
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当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
L U Z U Uo Z 2 L 2
可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位 移而变化。由于是交流电压， 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。
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0
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（2）相敏检波电路 U0
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U01
U02
UL
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结论： ① 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周， 在负载RL上的输出电压始终为0。 ② 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半 周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。
③ 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半
线圈的等效电感为：
.
2M 2 j L1 2 L 2 2 R ( L ) 2 2
M为互感系数，与 成反比
2M 2 L L1 L2 2 R2 (L2 ) 2
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影响阻抗Z的变量： 1、间距δ， δ M Z
可用于检测位移，振动等物理量
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2 l1 0 S0 1S1 2 l2 0 S0 2 S2
则式（4-2）可写为
（4-3）
2 Rm 0 S0
W 2 W 2 0 S0 L Rm 2
（4-4）
联立式（4-1）及式（4-4）， 可得 （4-5）
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探伤
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产品：
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案例：板的厚度测量
~
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1、悬臂弹簧
2、差动变压器
差动变压器式加速度传感器原理图 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频 率的10倍以上，这样可以得到精确的测量结果。
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自感式传感器测液位
矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。
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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。
1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
图4-3 差动变隙式电感传感器
当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量分别为L1、L2
变磁阻式传感器
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结论：
①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。 ②非线性减小。 ③克服温度等外界共模信号干扰。
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1、交流电桥式测量电路
Z1 Z3＝R
0 U
Z2
L U Z U Uo Z 2 L 2
Z4＝R
U o
图4-4 交流电桥测量电路
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2. 变压器式交流电桥
f与L具有明显的非线性关系
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线圈 U～ 铁芯 A
衔铁

膜盒 P
变隙电感式压力传感器结构图
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线圈 1 C形 弹 簧 管
输出
调机 械 零点 螺钉 线圈 2 P 衔铁 ～
变隙式差动电感压力传感器
变磁阻式传感器
பைடு நூலகம்
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第二节 差动变压器式传感器
一、结构与工作原理
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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电涡流接近开关
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大直径电涡流探雷器
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市场上自动封口 机，利用电涡流 原理。待封口位 置含铝，检测到 封口位置时，电 涡流效应产生热 量，实现封口。 间隙越大，电涡 流越小
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涡流效应的应用：
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电磁炉
高频电流 通过励磁线圈， 产生交变磁场， 在铁质锅底会 产生无数的电 涡流，使锅底 自行发热，烧 开锅 内 的 食 物。
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电磁炉内部 的励磁线圈
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高频加热炉
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原线圈的等效阻抗Z变化：