變磁阻式傳感器市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

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變磁阻式傳感器第1頁基礎(chǔ)知識一：磁力線分布規(guī)律磁力線是一簇封閉無頭無尾永不相交曲線；磁力線總是走磁阻最小路徑；磁力線穿出或進(jìn)入導(dǎo)磁體表面時垂直表面（但有線圈地方不垂直）；當(dāng)兩磁極表面平行且氣隙很小時，磁場可看作是均勻，而且磁力線呈平行直線。2變磁阻式傳感器第2頁δ氣隙磁通3變磁阻式傳感器第3頁基礎(chǔ)知識二：磁阻與磁導(dǎo)l:磁路長度S:磁路橫截面導(dǎo)體導(dǎo)磁率μF（10-3H/m量級）空氣導(dǎo)磁率μ0=4π×10-7H/m4變磁阻式傳感器第4頁基礎(chǔ)知識三：等效磁路l1/A1l2/A2l3/A3Gδ1Gδ2Gδ35變磁阻式傳感器第5頁線圈電感：由磁路歐姆定律，磁通定義為：其中：L:線圈電感；φ：磁通；W:線圈匝數(shù)；I:線圈電流；Rmi:第i段磁路磁阻磁鏈定義為：磁勢：磁壓降磁阻6變磁阻式傳感器第6頁概述變磁阻式傳感器：利用磁路磁阻改變引發(fā)傳感器線圈電感（自感L或互感M）改變來檢測非電量機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。按照工作原理分類：自感式：L改變差動變壓器式：M改變電渦流式：L、M改變按結(jié)構(gòu)分類：氣隙式電感傳感器（是一個閉磁路結(jié)構(gòu)形式）螺管式電感傳感器（是一個開磁路結(jié)構(gòu)形式）7變磁阻式傳感器第7頁l2S2S1§6.1電感式傳感器一、簡單電感傳感器線圈鐵芯銜鐵δUsr8變磁阻式傳感器第8頁9變磁阻式傳感器第9頁簡單電感傳感器工作原理W:線圈匝數(shù)I:線圈中電流Φ：磁路磁通RM:磁路總磁阻為何是2？10變磁阻式傳感器第10頁當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時,電感L僅僅是磁路中磁阻Rm函數(shù),只要改變δ或S均可造成電感改變,所以變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ傳感器和變氣隙面積Ｓ傳感器。使用最廣泛是變氣隙厚度式電感傳感器。11變磁阻式傳感器第11頁1、變間隙簡單電感傳感器輸出特征向上移動：△δ向下移動：△δδLδ0L0-△δ+△δ+△L1-△L212變磁阻式傳感器第12頁變間隙簡單電感傳感器輸出特征提醒：當(dāng)有兩個鐵芯，并采取差動結(jié)構(gòu)時：結(jié)論：靈敏度提升，非線性減小。13變磁阻式傳感器第13頁Conclusions:減小δ0，增大靈敏度?！鱈/L＝f(△δ）為非線性，而且當(dāng)△δ/δ↑，非線性增大。非線性與測量范圍要求相矛盾，普通取△δ/δ=0.1～0.2，所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較準(zhǔn)確?！鳓摹c△δ↑引發(fā)△L改變大小不一樣，且△δ越大，△L相差越大。為了減小非線性誤差,實際測量中廣泛采取差動變隙式電感傳感器。特點(diǎn):與變間隙電容相同。14變磁阻式傳感器第14頁2、電感傳感器等效電路分析ReRhRcCL銅損電阻（Rc）;鐵芯渦流損耗電阻（Re）;磁滯損耗電阻（Rh）;寄生電容（C）.Lcp：每匝線圈平均長度；d：導(dǎo)線直徑。t：鐵芯厚度；p：渦流穿透深度15變磁阻式傳感器第15頁不考慮寄生電容、磁滯損耗等效電路：ReRcLL’Re‘Rc鐵損串聯(lián)等效電阻Re’比Re??；L’比L小。分析討論：16變磁阻式傳感器第16頁減小對L影響辦法：減小鐵損詳細(xì)方法：1）鐵芯采取迭片式結(jié)構(gòu)2）采取電阻率大鐵氧材料增大Re增大(Re/l)減小Re’Re’<<L’減小17變磁阻式傳感器第17頁考慮線圈間寄生電容C后等效電路：L’CRe’RCCL’R’LPRPLReRCCLReRC18變磁阻式傳感器第18頁考慮線圈間寄生電容C后等效電路：線圈等效阻抗為：CL’R’19變磁阻式傳感器第19頁20變磁阻式傳感器第20頁Conclusions：寄生電容C使得Rp大于R’、

Lp大于L’在實際測量中，若改變電纜引線長度，即改變了寄生電容C（主要是電纜電容）大小，則電感傳感器有效電感發(fā)生改變，靈敏度也將發(fā)生改變。需要重新校準(zhǔn)。有效靈敏度品質(zhì)原因21變磁阻式傳感器第21頁3、簡單電感傳感器測量線路22變磁阻式傳感器第22頁Discussion：δ≈0時，RF相對較大，不能忽略，所以有一定起始電流。IδImInI0δ0δ↑↑，R相對較大，不能忽略，存在Im。不適于精密測量系統(tǒng)，用于開關(guān)量輸出（繼電裝置）。23變磁阻式傳感器第23頁小氣隙電感傳感器與小氣隙電容傳感器

比較相同或相同之處：表示形式、非線性分析、差動結(jié)構(gòu)等電容器有電場邊界問題，電感有磁場邊界問題測量較小位移量不一樣之處：電容小，抗干擾能力差；電感大，抗干擾能力強(qiáng)；電容激勵頻率很高；電感激勵頻率低；電容高阻抗、電感輸出信號中包含高次諧波，有零位輸出；電容傳感器動態(tài)響應(yīng)好，電感傳感器動態(tài)響應(yīng)差。24變磁阻式傳感器第24頁電感傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可靠。分辯率高，能測量0.1μm以下機(jī)械位移，能感受0.1角秒轉(zhuǎn)角位移改變。傳感器輸出信號強(qiáng)，有利于信號傳輸和放大，普通每毫米改變可達(dá)數(shù)百毫伏輸出。重復(fù)性好、線性度好且較穩(wěn)定。能實現(xiàn)信息遠(yuǎn)距離傳輸、統(tǒng)計、顯示和控制,在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采取。缺點(diǎn)：存在交流零位信號。不適合高頻動態(tài)信號測量。25變磁阻式傳感器第25頁電感式傳感器應(yīng)用

電感式傳感器直接用于測量小位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量改變參數(shù)，如力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位等都能夠用電感式傳感器來進(jìn)行測量。26變磁阻式傳感器第26頁應(yīng)用：電感式壓力傳感器線圈鐵芯銜鐵波紋管PdU～A27變磁阻式傳感器第27頁28變磁阻式傳感器第28頁變面積式電感傳感器氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量改變而改變，從而造成線圈電感量發(fā)生改變，這種形式稱之為變面積型電感傳感器。自感L與S成線性關(guān)系，這種傳感器靈敏度較低。29變磁阻式傳感器第29頁螺管式電感傳感器螺管型電感傳感器工作原理是基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻改變。線圈電感量與銜鐵插入深度相關(guān)。當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動時，使線圈自感發(fā)生改變。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造輕易，但靈敏度低，適合用于較大位移測量。30變磁阻式傳感器第30頁螺管式電感傳感器分析關(guān)鍵點(diǎn)：1.主磁通因為氣隙大而基本不變；2.側(cè)向漏磁通隨銜鐵插入深度而增加；3.靈敏度隨插入深度增加而增加。側(cè)向漏磁通主磁通導(dǎo)磁套筒??！31變磁阻式傳感器第31頁應(yīng)用：電感式傳感器測液位32變磁阻式傳感器第32頁單電感傳感器總結(jié)自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制做裝配比較困難.變面積型靈敏度較前者小,但線性很好,量程較大,使用比較廣泛.螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛一個電感式傳感器.33變磁阻式傳感器第33頁二、差動式電感傳感器－E型1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩只對稱單電感傳感器適用一個活動銜鐵;上、下兩個導(dǎo)磁體幾何尺寸、形狀、材料相同;上、下兩個線圈電氣參數(shù)（R、L、W）相同。UsrUscδ1δ234變磁阻式傳感器第34頁2、工作原理Z1Z2R3R4UsrABCD當(dāng)銜鐵有位移改變時，一個線圈自感增加，另一個線圈自感減小。將兩線圈接于電橋相鄰橋臂時，其輸出靈敏度可提升一倍，并改進(jìn)了線性特征。起始銜鐵處于中間位置：35變磁阻式傳感器第35頁3、E型差動電感傳感器接入電橋輸出特征初始狀態(tài):有位移狀態(tài):36變磁阻式傳感器第36頁37變磁阻式傳感器第37頁L0+△δ-△δLδ0L2=f(δ)L1=f(δ)差動式與簡單式電感傳感器非線性比較0Conclusions:1)差動傳感器特征曲線斜率增大，表示靈敏度提升；2）理論特征曲線電壓輸出過零點(diǎn)，減小了零位輸出；3）線性度得到提升。深入分析!△L2△L1△L1△L238變磁阻式傳感器第38頁令：Conclusions:輸出包含與電源同相和正交兩個分量。增大Q值能夠減小正交分量。39變磁阻式傳感器第39頁理想過零點(diǎn)線性度高相位反相40變磁阻式傳感器第40頁UsrUsc差動式螺管型電感傳感器較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，其測量范圍為0～50mm，最小分辨力到達(dá)0.1μm。這種傳感器線圈接于電橋上，組成兩個橋臂，線圈電感L1、L2隨磁芯位移而改變。41變磁阻式傳感器第41頁差動式電感傳感器優(yōu)點(diǎn)總結(jié)：改進(jìn)非線性；提升靈敏度；兩組線圈互為賠償，所以受環(huán)境（溫度改變、電源波動、外界干擾）影響??；因為對稱結(jié)構(gòu)，銜鐵受兩個線圈電磁吸力大小相當(dāng)，方向相反，能夠相互抵消；零位電壓小。42變磁阻式傳感器第42頁三、誤差分析電源電壓波動（幅值、頻率）影響：電源波動直接影響電感傳感器輸出;電源波動引發(fā)鐵芯B和μ改變;Usr過大使得B飽和,出現(xiàn)畸變;頻率改變引發(fā)感抗改變.溫度改變影響：幾何尺寸改變線圈電阻、鐵芯磁導(dǎo)率改變特征非線性：原理誤差限制位移量減小非線性相移：43變磁阻式傳感器第43頁磁化曲線非線性因為磁飽和，輸出波形產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)高次諧波。t44變磁阻式傳感器第44頁零位電壓產(chǎn)生原因基波分量原因：差動式導(dǎo)磁體幾何尺寸不對稱；差動電感線圈電氣參數(shù)不相等；銜鐵不在中間位置；高次諧波分量原因：導(dǎo)磁體飽和，工作在磁化曲線非線性段；在電源中含有高次諧波；線圈寄生電容、線圈與外殼之間分布電容影響。零位輸出是電感傳感器主要缺點(diǎn)之一！45變磁阻式傳感器第45頁高次諧波引發(fā)零位輸出電橋調(diào)零電路能夠滿足基波平衡（調(diào)零），不過不能同時滿足高頻諧波平衡。46變磁阻式傳感器第46頁零位電壓后果與處理辦法后果：降低精度與分辨率；易使放大器提早飽和。辦法：工藝制作上確保對稱性（結(jié)構(gòu)上對稱）；采取賠償方法,在傳感輸出回路中串、并聯(lián)電阻、電容,以到達(dá)次級線圈感應(yīng)電壓相位、幅值改變賠償。普通標(biāo)準(zhǔn)：串聯(lián)電阻能夠減小零位電壓、實現(xiàn)調(diào)零；并聯(lián)電容能夠改變零位電壓相位，消除基波高次諧波正交分量；選取適當(dāng)測量電路，如整流電路，相敏檢波電路等。47變磁阻式傳感器第47頁差動電感傳感器測量電路（1）

——交流電橋銜鐵移動時：48變磁阻式傳感器第48頁仿真49變磁阻式傳感器第49頁（2）變壓器電橋50變磁阻式傳感器第50頁§6.2差動變壓器式傳感器

（LinearVariableDifferentialTransformer簡稱LVDT）一、工作原理和結(jié)構(gòu)abcdc’d’VV’當(dāng)兩副邊線圈相同，磁芯處于中間時，輸出為零。51變磁阻式傳感器第51頁銜鐵(磁芯)線圈組合鐵芯螺管型差動變壓器結(jié)構(gòu)骨架組成:鐵芯銜鐵閉合磁回路、磁屏蔽改變磁場分布線圈產(chǎn)生或感應(yīng)磁場骨架結(jié)構(gòu)支撐與差動電感區(qū)分：1）變壓器線圈分原邊和副邊；2）副邊線圈按照反相串接。52變磁阻式傳感器第52頁互感原理設(shè)：線圈2感應(yīng)電勢為：線圈2磁鏈c’d’cdI1N1N2I253變磁阻式傳感器第53頁螺管型差動變壓器部分結(jié)構(gòu)與銜鐵位置相關(guān)54變磁阻式傳感器第54頁螺管型差動變壓器工作示意圖55變磁阻式傳感器第55頁其它結(jié)構(gòu)差動變壓器式傳感器變間隙型：量程：幾微米~幾百微米56變磁阻式傳感器第56頁其它結(jié)構(gòu)差動變壓器式傳感器E型微動同時器用途：測量轉(zhuǎn)角四極微動同時器用途：測量轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)：四個原邊線圈，四個副邊線圈；相對極同相串聯(lián)，相鄰極反相串聯(lián)。57變磁阻式傳感器第57頁二、螺管型差動變壓器分析線圈組合：骨架：圓柱形絕緣材料。線圈：采取高強(qiáng)度漆包線，環(huán)氧樹脂密封，采取多段式，兩個次級線圈電氣參數(shù)完全相同。銜鐵、鐵芯：采取高電阻率、高導(dǎo)磁率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大材料。1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差動變壓器式線位移傳感器58變磁阻式傳感器第58頁2、輸出特征L1、R1:初級線圈電感與電阻；L21、L22、R21、R22：次級線圈電感與電阻。~~e1R1R21R22UscL1L21L22e21e22M1M2i1設(shè)：設(shè)次級線圈為開路，即：(1)等效電路59變磁阻式傳感器第59頁次級線圈1：次級線圈2：~~e1R1R21R22UscL1L21L22e21e22M1M2i160變磁阻式傳感器第60頁其中：~~e1R1R21R22UscL1L21L22e21e22M1M2i161變磁阻式傳感器第61頁Discussion：銜鐵在中間位置時：銜鐵向上移動時：銜鐵向下移動時：相位相反62變磁阻式傳感器第62頁USCδe11e2263變磁阻式傳感器第63頁⑵提升差動變壓器靈敏度辦法提升品質(zhì)因數(shù)Q（經(jīng)過增大差動變壓器尺寸、線圈長度為直徑1.5~2倍）選擇較高激勵頻率減小銜鐵和骨架之間縫隙適當(dāng)提升激磁電壓64變磁阻式傳感器第64頁⑶頻率特征低頻時：高頻時：高頻時：趨膚效應(yīng)使R↑↑，分布電容↑↑65變磁阻式傳感器第65頁趨膚效應(yīng)頻率低頻率高直流：電流在導(dǎo)線截面上均勻分布流動.交流：電流有集中在外部周圍流動，而在中心部位電流密度小，這種現(xiàn)象叫趨膚效應(yīng)。66變磁阻式傳感器第66頁⑷溫度特征機(jī)械部分尺寸發(fā)生改變影響初級線圈阻值對初級線圈進(jìn)行賠償：⑸線性范圍約為線圈骨架長度1/10至1/4要求：輸出電壓與位移成線性關(guān)系相位角改變小，便于相敏解調(diào)。fU理想頻率特征串連電阻法Rt67變磁阻式傳感器第67頁⑹零位輸出（與差動電感相同）1）基波分量原因：兩個次級線圈電氣參數(shù)不相同；導(dǎo)磁體幾何形狀、尺寸不對稱；2）高次諧波分量原因：導(dǎo)磁體磁飽和；電源中含有高次諧波；產(chǎn)生原因：理想特征實際特征68變磁阻式傳感器第68頁3）采取線路進(jìn)行賠償。1）在設(shè)計和加工工藝上，力爭磁路對稱、線圈對稱；2）采取拆圈試驗方法減小零位輸出；減小零位輸出辦法:并聯(lián)調(diào)相串聯(lián)調(diào)相69變磁阻式傳感器第69頁設(shè)中間活動銜鐵向右平移0.1mm，0＝1mm,S0=S1=S2=1cm2,Uin=10V,f=400Hz,初級線圈匝數(shù)W1=1000,次級線圈匝數(shù)W2=，求總氣隙磁導(dǎo)、初級線圈電流和次級線圈輸出電壓。例題6－2－1：初級次級2次級1070變磁阻式傳感器第70頁3、測量電路

功效：差動變壓器輸出交流信號，幅值只能反映其信號大小，而無法反應(yīng)銜鐵移動方向（即信號極性），采取對應(yīng)測量電路以取得能反映大小方向直流信號。1---相敏解調(diào)前輸出；2---相敏解調(diào)后輸出；71變磁阻式傳感器第71頁1.調(diào)制及相關(guān)術(shù)語．調(diào)制：就是利用緩變信號來控制、調(diào)整高頻振蕩信號某個參數(shù)（幅值、頻率或者相位），使其按緩變信號規(guī)律改變。載波信號：高頻振蕩信號稱為載波信號.調(diào)制信號：被測緩變信號稱為調(diào)制信號.已調(diào)波：載波被緩變信號調(diào)制后信號稱為已調(diào)波。解調(diào)：從已調(diào)波中恢復(fù)出調(diào)制信號過程。2.調(diào)制作用:把頻率較低信號（即緩變信號）調(diào)制為適當(dāng)頻率信號，便于進(jìn)行交流放大。3.調(diào)制種類．若載波信號是諧波信號，調(diào)制可分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種。72變磁阻式傳感器第72頁調(diào)幅：將調(diào)制信號與載波相乘，使載波幅值隨調(diào)制信號改變而改變。整流檢波和相敏檢波是慣用調(diào)幅波解調(diào)方法。信號調(diào)制原理：73變磁阻式傳感器第73頁若調(diào)制信號發(fā)生極性改變，可疊加適當(dāng)直流分量Ａ。若調(diào)制信號不發(fā)生極性改變，則調(diào)幅波包絡(luò)線將含有原調(diào)制信號形狀。74變磁阻式傳感器第74頁相敏檢波器：是一個能依據(jù)調(diào)幅波和載波相位差來判別調(diào)制信號極性解調(diào)器，它適合對各種類型調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)。整流檢波：對調(diào)幅波作整流（半波或全波整流）和低通濾波處理，就可復(fù)現(xiàn)原調(diào)制信號（若已疊加了直流分量，則須準(zhǔn)確地減去該直流分量），這種解調(diào)方法稱為整流檢波。調(diào)制信號+直流分量A->整流->低通濾波->去直流分量->復(fù)現(xiàn)原調(diào)制信號。解調(diào)電路：技術(shù)路線：75變磁阻式傳感器第75頁差動整流檢波測量電路abcd76變磁阻式傳感器第76頁差動整流檢波測量電路1）方波發(fā)生電路77變磁阻式傳感器第77頁78變磁阻式傳感器第78頁2）電流放大電路79變磁阻式傳感器第79頁3）精密整流電路80變磁阻式傳感器第80頁81變磁阻式傳感器第81頁加法電路1.討論兩半波整流器輸入信號特點(diǎn)。2.討論兩半波整流器輸出信號特點(diǎn)。3.加法器作用－－相敏。見黑板！82變磁阻式傳感器第82頁一階低通濾波器83變磁阻式傳感器第83頁低頻高頻84變磁阻式傳感器第84頁一階低通濾波器波特圖85變磁阻式傳感器第85頁設(shè)差動電感傳感器線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)電位，電表指示為零。

以差動電感為例說明相敏整流電路原理：差動電感傳感器相敏整流交流電橋86變磁阻式傳感器第86頁當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，則下部線圈阻抗降低，Z2=Z-△Z。假如輸入交流電壓為正半周，則A點(diǎn)電位為正，B點(diǎn)電位為負(fù)，二極管V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點(diǎn)電位因為Z1增大而比平衡時C點(diǎn)電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點(diǎn)電位因為Z2降低而比平衡時D點(diǎn)電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。假如輸入交流電壓為負(fù)半周，A點(diǎn)電位為負(fù)，B點(diǎn)電位為正，二極管V2、V3導(dǎo)通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點(diǎn)電位因為Z2降低而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負(fù)半周，即B點(diǎn)電位為正，A點(diǎn)電位為負(fù)，C點(diǎn)相對于B點(diǎn)為負(fù)電位，Z2降低時，C點(diǎn)電位更負(fù)）；而在A-E-D-B支路中，D點(diǎn)電位因為Z1增加而比平衡時電位增高，所以依然是D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。一樣能夠得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。可見采取帶相敏整流交流電橋，輸出信號既能反應(yīng)位移大小又能反應(yīng)位移方向。

87變磁阻式傳感器第87頁相敏整流交流電橋仿真88變磁阻式傳感器第88頁L1增大，L2增大。89變磁阻式傳感器第89頁L2增大，L1增大。90變磁阻式傳感器第90頁4、應(yīng)用差動變壓器傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈互感量改變，而且其次級繞組采取差動形式連接。當(dāng)前應(yīng)用最多是螺線管是差動變壓器，它能夠測量1～100mm范圍以內(nèi)機(jī)械位移量.測振動、加速度測撓度91變磁阻式傳感器第91頁袖珍型差動變壓器位移變送器MSC710是一個單通道LVDT傳感器。因為嚴(yán)實、牢靠結(jié)構(gòu)，它不但能在試驗室也能在工業(yè)中應(yīng)用。安裝、操作簡單。應(yīng)用為工業(yè)部門產(chǎn)品和試驗室而設(shè)計測量和檢測設(shè)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變磁阻式傳感器第92頁振動和加速度測量銜鐵受振動和加速度作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接銜鐵位移大小反應(yīng)了振動幅度和頻率以及加速度大小。93變磁阻式傳感器第93頁左圖所表示差動變壓器式力傳感器：外力作用下，變形使差動變壓器鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生對應(yīng)電信號。載荷測量94變磁阻式傳感器第94頁張力測量95變磁阻式傳感器第95頁壓力測量96變磁阻式傳感器第96頁§6.3電渦流傳感器一、工作原理電渦流傳感器采取是感應(yīng)電渦流原理。當(dāng)帶有高頻電流線圈靠近被測金屬時，線圈上高頻電流所產(chǎn)生高頻電磁場便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁學(xué)上稱之為電渦流。電渦流效應(yīng)與被測金屬間距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)相關(guān)。經(jīng)過電路可將被測金屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流改變。電渦流傳感器就是依據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體位移、振動等參數(shù)測量。97變磁阻式傳感器第97頁電渦流形成線圈通入交變電流I，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場H1位于該磁場中金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并形成渦流渦流也產(chǎn)生對應(yīng)磁場H2，H2與H1方向相反H2作用引發(fā)線圈等效阻抗、等效電感等發(fā)生對應(yīng)改變ρ:電阻率；μ:導(dǎo)磁率；r：線圈半徑等幾何尺寸；I:線圈電流；f:頻率；X:距離。98變磁阻式傳感器第98頁二、電渦流等效電路分析UsrR1L1R2L2I1I2M99變磁阻式傳感器第99頁線圈等效電感：100變磁阻式傳感器第100頁品質(zhì)原因或：無渦流影響時線圈Q值101變磁阻式傳感器第101頁Conclusions：電渦流效應(yīng)使得等效電阻增大、等效電感減小，品質(zhì)原因減小。電渦流效應(yīng)消耗能量→等效電阻↑等效電感、等效阻抗、品質(zhì)原因與M平方相關(guān)，是距離x非線性函數(shù)。電渦流效應(yīng)與距離x關(guān)系：X↓→H2↑→電渦流效應(yīng)↑→△L↑→Q↓102變磁阻式傳感器第102頁103變磁阻式傳感器第103頁線圈對性能影響

電渦流徑向形成范圍(x固定）結(jié)論：渦流密度在線圈外徑處最大；范圍隨外徑改變；在r<0.4ri處基本無渦流；r>1.8ras處，渦流衰減為最大值5％。11電渦流密度J與半徑r關(guān)系曲線J0－最大電渦流密度104變磁阻式傳感器第104頁電渦流沿金屬表面法向貫通深度z深度電流密度表面電流密度貫通深度與頻率相關(guān)，頻率低，深度深。105變磁阻式傳感器第105頁軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離x、ras關(guān)系xrasras↑分布范圍大改變梯度小線性范圍大靈敏度小ras↓與上相反BP：軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度ras大ras小x/rasBP磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸向分布106變磁阻式傳感器第106頁被測體對電渦流測量影響被測體是傳感器組成部分;被測導(dǎo)體電導(dǎo)率越高，靈敏度越高;磁性體靈敏度比非磁性體低:對等效電感L：電渦流效應(yīng)使其減小被測物為導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體作用使得L↑，磁效應(yīng)抵消電渦流效應(yīng)。所以，被測物是磁性體，靈敏度較非磁性體低。普通采取較高激勵頻率；(數(shù)十千Hz）鍍層對測量有影響；對被測體大小有要求。107變磁阻式傳感器第107頁三、電渦流傳感器結(jié)構(gòu)采取了最慣用結(jié)構(gòu)形式—高頻反射式結(jié)構(gòu).108變磁阻式傳感器第108頁渦流探頭外形結(jié)構(gòu)及應(yīng)用109變磁阻式傳感器第109頁四、測量電路被測參數(shù)改變品質(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110變磁阻式傳感器第110頁1、調(diào)幅式測量電路原理：線圈電感L與固定電容C組成諧振回路，當(dāng)激振頻率與諧振頻率相等時，LC回路阻抗最大；因為渦流使得L改變時，諧振頻率改變，等效阻抗改變。振蕩器f0放大檢波濾波LRCUSC等效電阻111變磁阻式傳感器第111頁LC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。因為激勵頻率很高，故：112變磁阻式傳感器第112頁等效阻抗：113變磁阻式傳感器第113頁114變磁阻式傳感器第114頁fZf0f1f2f3Z0Z1Z2Z3R0<R1<R2<R3L0>L1>L2>L3Q0>Q1>Q2>Q3f0<f1<f2<f3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115變磁阻式傳感器第115頁Conclusions：當(dāng)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、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(guān)系.最大輸出：116變磁阻式傳感器第116頁117變磁阻式傳感器第117頁fUf0f1f2頻率一直等于諧振頻率，幅值一直為諧振曲線峰值2、調(diào)頻測量電路-調(diào)頻鑒幅式118變磁阻式傳感器第118頁放大限幅鑒頻濾波XU鑒頻器將振蕩頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號。調(diào)頻測量電路-直接頻率輸出119變磁阻式傳感器第119頁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）改變使調(diào)頻振蕩器振蕩頻率發(fā)生對應(yīng)改變，在小范圍內(nèi)，振蕩頻率與被測量改變呈線性關(guān)系。且諧振時回路等效阻抗最大。當(dāng)電感L發(fā)生改變時，回路等效阻抗友好振頻率都將隨L改變而改變，所以能夠利用測量回路阻抗方法或測量回路諧振頻率方法間接測出傳感器被測值。120變磁阻式傳感器第120頁五.應(yīng)用電渦流傳感器含有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測量等特點(diǎn)轉(zhuǎn)速測量計數(shù)測厚度探傷測振動測溫測位移121變磁阻式傳感器第121頁122變磁阻式傳感器第122頁相對軸位移指是軸向