CHAP6 變磁阻式傳感器

1、第6章 變磁阻式傳感器電感式傳感器差動變壓器式傳感器電渦流傳感器1基礎知識一：磁力線的分布規(guī)律磁力線是一簇封閉的無頭無尾的永不相交的曲線；磁力線總是走磁阻最小的路徑；磁力線穿出或進入導磁體表面時垂直表面（但有線圈的地方不垂直）；當兩磁極表面平行且氣隙很小時，磁場可看作是均勻的，而且磁力線呈平行直線。2氣隙磁通3基礎知識二：磁阻與磁導l: 磁路長度 S: 磁路橫截面導體導磁率F（10-3H/m量級）空氣導磁率0 =410-7H/m4基礎知識三：等效磁路l1/A1l2/A2l3/A3G1G2G35線圈電感：由磁路歐姆定律，磁通定義為：其中：L:線圈電感；：磁通；W:線圈匝數(shù)； I:線圈電流；Rmi

2、:第i段磁路磁阻磁鏈定義為：磁勢：磁壓降磁阻6概述變磁阻式傳感器： 利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感L或互感M）變化來檢測非電量的機電轉換裝置。按照工作原理分類：自感式： L變化差動變壓器式：M變化電渦流式： L、M變化按結構分類：氣隙式電感傳感器（是一種閉磁路結構形式）螺管式電感傳感器（是一種開磁路結構形式）7l2S2S16.1 電感式傳感器一、簡單電感傳感器線圈鐵芯銜鐵Usr89簡單電感傳感器的工作原理W:線圈的匝數(shù) I:線圈中的電流 ：磁路磁通 RM:磁路總磁阻為何是2？10當線圈匝數(shù)為常數(shù)時, 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù), 只要改變或S均可導致電感變化, 因此變磁阻式傳

3、感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。111、變間隙簡單電感傳感器的輸出特性向上移動： 向下移動： L0L0-+L1-L212變間隙簡單電感傳感器的輸出特性提示：當有兩個鐵芯，并采用差動結構時：結論：靈敏度提高，非線性減小。13Conclusions:減小0，增大靈敏度。L/Lf(）為非線性，而且當/ ，非線性增大。非線性與測量范圍的要求相矛盾，一般取/ =0.10.2，所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。與 引起的L的變化大小不同，且越大， L相差越大。為了減小非線性誤差, 實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。 特點:

4、與變間隙電容相似。142、電感傳感器的等效電路分析ReRhRcCL銅損電阻（ Rc ）;鐵芯的渦流損耗電阻（ Re ）;磁滯損耗電阻（ Rh ）;寄生電容（C）.Lcp：每匝線圈平均長度；d：導線的直徑。t：鐵芯厚度；p：渦流穿透深度15不考慮寄生電容、磁滯損耗的等效電路：ReRcLLReRc鐵損的串聯(lián)等效電阻Re比Re??；L比L小。分析討論：16減小對L的影響的措施：減小鐵損的具體辦法：1）鐵芯采用迭片式結構2）采用電阻率大的鐵氧材料增大Re 增大(Re / l) 減小Re Re整流-低通濾波-去直流分量-復現(xiàn)原調(diào)制信號。解調(diào)電路：技術路線：75差動整流檢波測量電路abcd76差動整流檢波測

5、量電路1）方波發(fā)生電路77782）電流放大電路793）精密整流電路8081加法電路1.討論兩半波整流器的輸入信號特點。2.討論兩半波整流器的輸出信號特點。3.加法器的作用相敏。見黑板！82一階低通濾波器83低頻高頻84一階低通濾波器的波特圖85設差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點電位，電表指示為零。 以差動電感為例說明相敏整流電路的原理：差動電感傳感器相敏整流交流電橋86當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負，二極管V1、

6、V4導通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點電位由于Z2的降低而比平衡時D點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉。如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負，B點電位為正，二極管V2、V3導通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點電位更負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉。同

7、樣可以得出結果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉，輸出為負?？梢姴捎脦嗝粽鞯慕涣麟姌颍敵鲂盘柤饶芊从澄灰拼笮∮帜芊从澄灰频姆较?。 87相敏整流交流電橋仿真88L1增大， L2增大。89L2增大， L1增大。904、應用差動變壓器傳感器是將被測的非電量轉換成線圈互感量變化，并且其次級繞組采用差動形式連接。目前應用最多的是螺線管是差動變壓器，它可以測量1100mm范圍以內(nèi)的機械位移量.測振動、加速度測撓度91袖珍型差動變壓器位移變送器MSC710是一個單通道LVDT傳感器。由于嚴實、牢固的結構，它不僅能在實驗室也能在工業(yè)中應用。安裝、操作簡單。應用 為工業(yè)部門產(chǎn)品和實驗室而設計的測量和檢測設

8、備。-公差質(zhì)量控制；-高度尺寸檢測；-試驗臺、試驗站；-流動試驗車。92振動和加速度的測量銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。93左圖所示差動變壓器式力傳感器：外力作用下，變形使差動變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應電信號。載荷測量94張力測量95壓力測量966.3 電渦流傳感器一、工作原理電渦流傳感器采用的是感應電渦流原理。當帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時，線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場便在金屬表面上產(chǎn)生感應電流，電磁學上稱之為電渦流。電渦流效應與被測金屬間的距離及電導率、磁導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流

9、頻率等參數(shù)有關。通過電路可將被測金屬參數(shù)轉換成電壓或電流變化。電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。97電渦流的形成線圈通入交變電流I，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場H1位于該磁場中的金屬導體上產(chǎn)生感應電動勢并形成渦流渦流也產(chǎn)生相應的磁場H2，H2與H1方向相反H2的作用引起線圈等效阻抗、等效電感等發(fā)生相應的變化:電阻率；:導磁率；r：線圈半徑等幾何尺寸；I:線圈電流；f:頻率；X:距離。98二、電渦流等效電路分析UsrR1L1R2L2I1I2M99線圈等效電感：100品質(zhì)因素或：無渦流影響時線圈的Q值101Conclusions：電渦流效應使得等效電阻增大、等效電感

10、減小，品質(zhì)因素減小。電渦流效應消耗能量等效電阻等效電感、等效阻抗、品質(zhì)因素與M平方有關，是距離x的非線性函數(shù)。電渦流效應與距離x的關系：XH2電渦流效應L Q102103線圈對性能的影響電渦流的徑向形成范圍(x固定）結論：渦流密度在線圈外徑處最大；范圍隨外徑變化；在r1.8ras處，渦流衰減為最大值的5。11電渦流密度J與半徑r的關系曲線J0最大電渦流密度104電渦流沿金屬表面法向的貫穿深度z深度電流密度表面電流密度貫穿深度與頻率有關，頻率低，深度深。105軸向磁感應強度與距離x、 ras的關系xrasras分布范圍大變化梯度小線性范圍大靈敏度小ras與上相反BP：軸向磁感應強度ras大ras

11、小x/rasBP磁感應強度沿軸向分布106被測體對電渦流測量的影響被測體是傳感器的組成部分;被測導體的電導率越高，靈敏度越高;磁性體的靈敏度比非磁性體低:對等效電感L：電渦流效應使其減小被測物為導磁體，導磁體的作用使得L，磁效應抵消電渦流效應。所以，被測物是磁性體，靈敏度較非磁性體低。一般采用較高的激勵頻率；(數(shù)十千Hz）鍍層對測量有影響；對被測體的大小有要求。107三、電渦流傳感器的結構采用了最常用的結構形式高頻反射式結構.108渦流探頭外形結構及應用109四、測量電路被測參數(shù)變化品質(zhì)因數(shù)Q較少使用等效阻抗Z交流電橋等效電感L諧振電路諧振電路調(diào)幅電路調(diào)頻電路1101、調(diào)幅式測量電路原理：線圈

12、電感 L與固定電容C組成諧振回路，當激振頻率與諧振頻率相等時，LC回路的阻抗最大；由于渦流使得L變化時，諧振頻率變化，等效阻抗變化。振蕩器f0放大檢波濾波LRCUSC等效電阻111LC諧振頻率為：等效阻抗：R-等效電阻，對靈敏度有影響；0-激勵頻率。由于激勵頻率很高，故：112等效阻抗：113114fZf0f1f2f3Z0Z1Z2Z3R0R1R2L1L2L3Q0Q1Q2Q3f0f1f2f3對非磁性材料，諧振頻率右移；對磁性材料，諧振頻率左移。渦流增大方向115Conclusions：當f0 = f時，輸出電壓最大;對非磁性體，渦流增大使得L1減小、R1增大、諧振頻率增高;輸出電壓減小;諧振頻率

13、、諧振曲線向高頻方向移動;輸出電壓U與渦流參數(shù)之間呈單調(diào)非線性關系.最大輸出：116117fUf0f1f2頻率始終等于諧振頻率，幅值始終為諧振曲線峰值2、調(diào)頻測量電路-調(diào)頻鑒幅式118放大限幅鑒頻濾波XU鑒頻器將振蕩的頻率信號轉換為電壓輸出信號。調(diào)頻測量電路-直接頻率輸出119諧振式鑒頻式將傳感器線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路,諧振頻率為： 傳感器(電感）的變化使調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應變化，在小范圍內(nèi)，振蕩頻率與被測量的變化呈線性關系。且諧振時回路的等效阻抗最大。當電感L發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測

14、出傳感器的被測值。120五.應用電渦流傳感器具有結構簡單、抗干擾能力強、非接觸測量等特點轉速測量計數(shù)測厚度探傷測振動測溫測位移121122相對軸位移指的是軸向推力軸承和導向盤之間在軸向的距離變化。軸向推力軸承用來承受機器中的軸向力，它要求在導向盤和軸承之間有一定的間隙以便能夠形成承載油膜。一般汽輪機在0.20.3mm之間，壓縮機組在0.40.6mm之間。如果小于這些間隙，軸承就會受到損壞，嚴重的導致整個機器損壞；因此需要監(jiān)測軸的相對位移以測量軸向推力軸承的磨損情況。相對軸位移的測量123124發(fā)射線圈1 和接收線圈2分別放在被測材料G的上下低頻(音頻范圍)電壓e1 加到線圈1 的兩端后，在周圍

15、空間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材料G中產(chǎn)生渦流 ，此渦流損耗了部分能量，使貫穿2的磁力線減少，從而使2產(chǎn)生的感應電勢e2 減小。e2 的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關，實驗與理論證明，e2 隨材料厚度h增加按負指數(shù)規(guī)律減小。125126127本章要點電感式傳感器的工作原理、結構組成、性能特點差動變壓器式傳感器的工作原理、結構組成、性能特點電渦流式傳感器的工作原理、結構組成及其應用典型相敏測量電路作業(yè)：61、65128自感式(變磁阻式)傳感器互感式傳感器變隙式螺線管式電渦流式129交流電橋1.靈敏度是單線圈式的兩倍2.線性度得到明顯改善變壓器式交流電橋輸出指示無法判斷位移方向差動整流電路結構簡單，不需考慮相位調(diào)整，消除了零點殘余電壓相敏檢波電路輸出不僅反映了位移的大小而且反映了位移的方向調(diào)頻式電路調(diào)幅式電路130作業(yè) 習題 58，9試證明圖617所示差動變壓器輸出為V形特征。設（1）電感線圈銅損、鐵損及漏磁均忽略并在理想空載條件下求證。（2）原邊線圈匝數(shù)N11N12=N1，副邊線圈匝數(shù)N21=N22=N2。131已知一差動整流電橋電路如圖所