變磁阻式傳感器

1、變磁阻式傳感器一、變磁阻式傳感器特點(diǎn)變磁阻式傳感器是自感式傳感器的一種，自感式傳感器又屬于電感式傳感器類別。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量，如位移、壓力、流量、振動(dòng)等，轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器具有以下特點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳感器無(wú)活動(dòng)的電接觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)；2、靈敏度和分辨率高，能測(cè)出0.01的位移變化，傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)到數(shù)百毫伏的輸出；3、線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差僅達(dá)到0.05%0.1%,并且穩(wěn)

2、定性也較好。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，他在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用；但是它有頻率響應(yīng)較低、不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。二、結(jié)構(gòu)和工作原理變阻式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵都由導(dǎo)磁材料，如硅鋼片和坡莫合金制成。在鐵芯和活動(dòng)銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為d。傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度6發(fā)生變化，從而使磁路中磁阻變化，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，這樣可以由此判別被測(cè)量的位移大小。線圈的電感值L可按如下電工學(xué)公式計(jì)算：L=N2Rm(1)式中N線圈匝數(shù)；Rm單位長(zhǎng)度上的磁路總磁阻。圖1是變磁阻式傳感器基本結(jié)

3、構(gòu)圖。圖1變磁阻式傳感器基本結(jié)構(gòu)圖磁路總磁阻可寫(xiě)成：Rm=Rf+R-式中Rf鐵芯磁阻；R空氣氣隙磁阻;其中Rf和R6可以分別由下式求出:rf=4打-1A1:2A22、F=KA(2)(3)(4)式（3）中，第一項(xiàng)為鐵芯磁阻，第二項(xiàng)為銜鐵磁阻;L1磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度（m）;A1鐵芯橫截面積（m2）;1鐵芯材料的導(dǎo)磁率（H/m）;L2磁通通過(guò)彳車f鐵的長(zhǎng)度（m）;2、A2銜鐵橫截面積（m）；銜鐵材料的導(dǎo)磁率（H/m）;2、A氣隙橫截面積（m）;0空氣的導(dǎo)磁率（4兀X10.7H/m）。由于Rf2(即工6)L為銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)線圈的電感量。式（9）中，不存在偶次項(xiàng)，顯然，差動(dòng)式電感傳感器的非線性在

4、工作范圍內(nèi)要比單個(gè)電感傳感器小很多，由圖可以說(shuō)明這一點(diǎn)。圖鐵的位移量A6有關(guān)，它的相位則與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動(dòng)5還說(shuō)明電橋的輸出電壓大小和銜6為負(fù)，則U。為負(fù)；銜鐵向下移動(dòng)A6為正,則U。為正，即相位相差180。差動(dòng)式電感傳感器的靈敏度S,由式（9）忽略高次項(xiàng)后得到式（10）。圖中1L1=f（6）,2-L2=f（a卜圖5是差動(dòng)電感傳感器輸出特性圖。圖5差動(dòng)電感傳感器的輸出特性圖S-2L.0S=、二0(10)比較單線圈式和差動(dòng)式，區(qū)別如下：(1)差動(dòng)式間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。(2)差動(dòng)式的非線性忽略3次以上高次項(xiàng)，單線圈的非線性項(xiàng)忽略2次以上高次項(xiàng)；并且兩者都有(A

5、d/do)1,因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。3、調(diào)理電路電感傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、交流變壓器式和把傳感器作為振蕩橋路中一個(gè)組成元件的諧振式等幾種。(1)交流電橋式調(diào)理電路圖4所示結(jié)構(gòu)原理的等效電路如圖6所示，把傳感器的兩個(gè)線圈做電橋的兩個(gè)橋臂乙和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻(Z3=R,Z4=R，弋替。對(duì)于高Q值，Q=8L/R的差動(dòng)式線圈傳感器，其輸出電壓為:L.L(11):Uac:ZiUacjUacL.L00=L2Zi2Roj2Lo式中Lo銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)線圈的電感；Ro為其損耗；.L兩線圈電感的變化量。圖6一般形式的交流電橋圖7變壓器式交流電橋忽略式(9)中的高次項(xiàng)后，

6、AL=(2LoA6)吊，代入式(11)后可得：Uo=Uac域沁,電橋輸出電壓與6有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。(2)變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋如圖7所示。電橋兩臂乙和Z2為傳感線圈阻抗,另外兩臂為交流變壓器次級(jí)線圈的12阻抗，電橋A點(diǎn)的電壓應(yīng)為:LUaZ2Z2J=UAC(C點(diǎn)為正,CD點(diǎn)為負(fù))L或Ua乙Z2J=uAC(D點(diǎn)為正,C點(diǎn)為負(fù))LB點(diǎn)電位為：UbLUacO2當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓:或者為：LUoLUacZ1-Z2Z2(12)當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時(shí)，即Z1=Z2=Z,此時(shí)Uo=6或o,電橋平衡。當(dāng)銜鐵上移時(shí)，下面線圈阻抗減小，即Z2=Z-AZ;而上面線圈的阻抗增加，即乙=Z+AZ,于是由式(12)得LL.Uac乙N2UacZUacjLuo=(13)o2Z1Z22Z2R+jL當(dāng)銜鐵下移同樣大小的距離時(shí),乙=Z-AZ,Z2=Z+AZ,則輸出電壓為:LU0L_UacZ1Z2_UacAZ_UacjAL2ZiZ2-2Z-2R+jL(14)設(shè)線圈Q值很高，省略損耗電阻，式和式可寫(xiě)為:LUAC.LU0=-C-2L(15)從式（15）可知，銜鐵上、下移動(dòng)時(shí)，