第5讲 变磁阻式传感器

2 tg (L / R)
1
2(L / R) Δ L Δ 1 (L / R) 2 L
自感式传感器的灵敏度
传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度
k t (Δ L / L) / Δ x
k c u 0 /(Δ L / L)
总灵敏度
k z kt k c u0 /Δ x
自感式传感器的应用举例
•下图是差动变隙式电感感传感器的结构示意图。 当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一 个线圈的电感量减少，形成差动形式。
4 4
3
1
2
差动变隙式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
AN 2 衔铁下移： L 2( )
0 1 0

AN L 2( )
变磁阻式传感器的优点
①结构简单、可靠，测量力小 ②分辨力高 机械位移0.1μ m，甚至更小；角位移0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μ m到数百mm的位移范围内，输出特性的线 性度较好，且比较稳定。 ④能实现远距离传输、记录、显示和控制。 不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
2
0 2 0
2 L1 L0 1 0 0 0
......
3
2 L2 L0 1 0 0 0
总磁阻 两式联立得:
w2 L RM
而
其中 RF
RM RF R
L1 L2 1S1 2 S2
R
2 0 S0
空气导磁 率
导磁率 磁导率 H/m
RF R
w 0 S0 w L R 2
2 2
变气隙式自感传感器
•如果S 保持不变， 则L 为δ 的单值 函数，构成变气 隙式电感传感器。 使用最广泛的是 该传感器。
差动变压器的结构和工作原理
•差动变压器结构形式分气隙型和螺管型两种。目前多 采用螺管型差动变压器。 1
2 1 3 2 4 4 3
(b)螺管型
(a)气隙型
1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁
互感现象
W1
W
Eout Ew
Es
W2
-x
x
•工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕 组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能 随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的 改变而变化。 •初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的 原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈 反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的 副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传 感器，通常简称为差动变压器。
衔铁 线圈 铁芯
δ Δδ
变气隙厚度的传感器
变气隙式电感传感器的输出特性
•L与δ 之间是非线性关系， 特性曲线如图所示。
L
w 2 w2 0 S L Rm 2
L0＋L L0 L0－L
o
－ ＋

变隙式电压传感器的L -δ 特性
初始电感量为
Sw2 L0 2
, 0
0 0 0
SN 2 SN 2 L L L L0 2 2 0
0 0
当

0
1 时，
2 3
L ...... L0 0 0 0 得：
Sw2 2 0
0
δ
0
0
0
Δδ
0
当 1 时， 0
L1 L0 0
...... 0 0
2 3
忽略高次项：
L1 L0 0
得： 灵敏度
L L0 1 K0 0
衔铁上移
•电感式传感器—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 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 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。
变气隙差动式自感压力传感器
自感式圆度仪
电感式圆度仪原理图 1-被测工件；2-精密主轴：3-传感器；4 -工作台
忽略高次项：
L L0 0
L L0 1 K0 0
灵敏度
L L0 1 K0 0
• 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
用于测量微小位移时是比较精确的。

•衔铁上移
与
K0
L
L 2 L 1 0L L ＋ K 00 1 0 0 0 L
•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。
1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1
2 (a) 二节式
3
(b) 三节式
2 (c) 四节式
3 (d) 五节式
差动变压器线圈各种排列形式 1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁
•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。
差动变压器的等效电路
差动变压器等效电路
差动变压器输出特性
差动变压器主要特性
1．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 下 , 铁芯移动单位距离时所产生的输出电压的变化， 其单位为ｍV/(mmV )，一般差动变压器的灵敏度大于 5ｍV/mmV。 •要提高差动变压器的灵敏度可以通过以下几种途径： 见书P67。
m — 铁芯有效磁导率
lc — 柱形衔铁插入到单个螺 管内的长度
差动式螺管型自感传感器
Usc
Usr
自感式传感器的测量电路-调幅电路
1.变压器电路（工作臂Z1、Z2为传感器两个线圈的阻 抗。）
Z1 1 U Z U jL U L U0 U A U B U U Z1 Z 2 2 2 Z 2 r jL0 2 L0
忽略高次项 得灵敏度为：
L 2 L 0 K 0 0
灵敏度提高 一倍
差动式与单线圈自感式传感器
•优点： ① 线性好； ② 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大 一倍； ③ 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的 影响，由于能互相抵消而减小； ④ 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减 小。
2
3
衔铁下移：
L － － L0 非线性部分 0 0
2 3
无论上移或下移，非线性都将增大。
差动变隙式电感传感器
1
2
L1
Ro

3 L2 2
U s
Ro
U o
1—铁芯； 2—线圈； 3—衔铁
1
差动变隙式电感传感器
变磁阻式传感器
自感式传感器 差动变压器 电涡流传感器
变磁阻式传感器的概述
被测非电量 电磁 感应 自感系数L 互感系数M 测量 U、I、f 电路
定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量 电测的装置。 测量参数：位移、振动、压力、应变、流量、比 重等。 种类：根据转换原理：分自感式、互感式、电涡流式 三种；根据结构型式：分气隙型、面积型和螺管 型。
差动变隙式电感传感器
•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，两个线圈的 电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除 了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、 电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减 少了外界影响造成的误差。
差动变隙式电感传感器
• 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线 圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与 被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带 动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路 中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 导致一 个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。
......
3
3 5 L L2 L1 2 L0 ...... 0 0 0 3 5 L L2 L1 2 ...... L0 L0 0 0 0 上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的 非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传 感器的小得多。
自感式传感器的测量电路-调频电路
•传感器自感变化将引起输出电压频率的变化
f
C L
f 1 / 2 LC
G
f
来自百度文库
0
L
•灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合
Δ f ( LC ) 3 / 2 C Δ L / 4 ( f / 2) (Δ L / L)
自感式传感器的测量电路-调相电路
自感式传感器测液位
自感式滚柱直径分选装置
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 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， 故称 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 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 器， 它可以测量 1 ～ 100mm机械位移，并具有测量精 度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。
–切线斜率变大
L0－L
0
•衔铁下移 –切线斜率变小
L 2 L0o 1 － ＋ K0 1－ － 0 0 0


衔铁上移：
与线性度
L L0 非线性部分 0 0




自感式传感器的测量电路-调幅电路
2.相敏检波电路
非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路
•使用相敏整流，输出电压U0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。
自感式传感器的测量电路-调幅电路
3.谐振式调幅电路
•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。
自感式圆度仪
•传感器3与精密主轴2一起回转，主轴2精度很高，在 理想情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆”。当 被测件1 有圆度误差时，必定相对于“真圆”产生径 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、 滤波、A／D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 (径向偏差)。
变面积式自感传感器
δ 线圈
衔 铁 移 动 方 向
N 0 s L 2
2
灵敏度为： L L kL x a
衔铁 铁芯
变截面式传感器
螺管式自感传感器
灵敏度为： rc 2 L L kL ( m 1)( ) x r l L — 单个线圈的电感量 r — 线圈平均半径 rc — 柱形衔铁半径 l — 单个螺管线圈长度
0 0
L
L
衔铁下移
, 0
0 0 0


Sw2 Sw2 L L L 2 2
0 0
2 0 1 L0 0 2 0 L 1 衔铁 L 1
变磁阻式传感器的分类
•变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料制成。
电感式传感器 变磁阻式传感器 变压器式传感器 电涡流式传感器
自感式传感器的工作原理
根据电感定义，线圈中的电感量由下式确定
wΦ L I I
线圈匝数
I为线圈中所通交流电的有效值。
I w Φ RM