变磁阻式传感器习题

第3章 变磁阻式传感器

3.1何谓变磁阻式传感器？常用来测量哪些参数？

答：变磁阻式传感器是一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的机电转换装置。常用量检测位移、振动、力、应变、流量、密度等物理量。

3.2说明差动自感式传感器产生零位电压的原因。

答：差动自感式传感器的铁芯处于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡输出（零位电压），造成零位误差。零位电压包含有基波和高次谐波。产生基波分量的主要原因是传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致。造成高次谐波分量的主要原因是磁性材料磁化曲线的非线性。

3.3在电感式传感器测量电路中常使用相敏检波电路，其作用是什么？说明相敏检波电路的原理。

答：相敏检波电路是常用的判别电路，用来判别衔铁位移的方向。

如上图所示，1Z 、2Z 为传感器两线圈的阻抗，34Z Z =构成另两个桥臂，U

为供桥电压，0U 为输出。当衔铁处于中间位置时，12Z Z Z ==，电桥平衡，00U =。若衔铁上移，1Z 增大，2Z 减小。如供桥电压为正半周，即A 点电位高于B 点，二极管1D 、4D 导通，2D 、3D 截止。在A E C B ---支路中C 点电位由于1Z 增大而降低；在A F D B ---支路中，D 点电位由于2Z 减小而增高。因此

D 点电位高于C 点，输出信号为正。如供桥电压为负半周，B 点电位高于A 点，二极管2D 、3D 导通，1D 、4D 截止。在B C F A ---支路中，C 点电位由于Z 2

减小而比平衡时降低；在B D E A ---支路中，D 点电位则因Z 1增大而比平衡时增高。因此D 点电位仍高于C 点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。

3.4说明电涡流式传感器的基本结构、工作原理和主要特点。电涡流式传感器的基本特性有哪些？

答：在传感器线圈中通以交变电流1I ，线圈周围就产生一个交变磁场1H 。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流2I 。2I 也将产生一个新磁场2H ，2H 与1H 方向相反，削弱原磁场1H ，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这些参数的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。

电涡流传感器的主要优点是结构简单，灵敏度高，频响范围大，不受灰尘油污等介质的影响进行非接触测量；主要缺点是测量范围有限，仅适用于近距离测试，非线性，精度不高，体积大、功耗高。

因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。

3.5试证明下图(a )所示之U 型差动变压器的输出特性为图(b )所示的V 形特性。设一次线圈匝数N 11=N 12=N 1，二次线圈匝数N 21=N 22=N 2，忽略铁损、漏磁及电感线圈的铜损，并设负载电阻为无穷大。

忽略铁损、漏磁及电感线圈的铜损时，由图(a )可得等效电路如下图所示。

设衔铁位移的正方向为向上。当衔铁移动x 之后，根据变气隙式电感的计算公式，得一次线圈的两个电感分别为

2200111112()2()S S L x x N N μμδδ==--，22

00121122()2()

S S L x x N N μμδδ==++ 式中，S 为铁心横截面积；μ0为真空磁导率，由于空气μr ≈1，所以空气磁导率约等于μ0。

通过一次线圈中的激励电流为 1112111210()()()e x x I e j L L j N S δδωωμδ-+==+ 而两个铁心中的磁通分别为 1101101111121212,2()2()M M I N S I N S I N I N R x R x μμφφδδ====-+ 式中，1M R 、 2M R 为两个铁心的磁阻。

两个二次线圈与一次线圈之间的互感分别为 2102102112221211,2()2()N N S N N S N N M M I x I x μμφφδδ=

===-+

两个二次线圈中产生的感应电势则分别为 22211112221111()(),22N x N x e j M I e e j M I e N N δδωωδδ

+-=-=-=-=- 所以输出电势为

22212211N x e e e e N δ

=-=- 由此可知，当衔铁在中间位置时，输出为零；而衔铁上移或下移相同量时，输出电势大小相等，只是存在180°的相移。故用交流电压表测量其输出特性时，仅能测出位移的大小，不能测出位移的方向，特性曲线为V 型特性，只有采用相敏检波等电路才能测出衔铁位移方向。