第5講變磁阻式傳感器

自感式傳感器差動(dòng)變壓器電渦流傳感器變磁阻式傳感器電磁感應(yīng)被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f變磁阻式傳感器的概述定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。測(cè)量參數(shù)：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：分自感式、互感式、電渦流式三種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式：分氣隙型、面積型和螺管型。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力?、诜直媪Ω邫C(jī)械位移0.1μm，甚至更??；角位移0.1角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。④能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制。不足：存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。變磁阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)變磁阻式傳感器的分類變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。變磁阻式傳感器電感式傳感器變壓器式傳感器電渦流式傳感器總磁阻線圈匝數(shù)兩式聯(lián)立得:I為線圈中所通交流電的有效值。根據(jù)電感定義，線圈中的電感量由下式確定自感式傳感器的工作原理空氣導(dǎo)磁率磁導(dǎo)率導(dǎo)磁率H/m而其中變氣隙厚度的傳感器δ線圈鐵芯銜鐵Δδ如果S保持不變，則L為δ的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式電感傳感器。使用最廣泛的是該傳感器。變氣隙式自感傳感器L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示。變隙式電壓傳感器的L-δ特性變氣隙式電感傳感器的輸出特性銜鐵下移

δ銜鐵Δδ初始電感量為忽略高次項(xiàng)：得：靈敏度銜鐵上移

忽略高次項(xiàng)：得：由上式可見，變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變隙式電感傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。靈敏度銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小與銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。與線性度差動(dòng)變隙式電感傳感器差動(dòng)變隙式電感傳感器在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。差動(dòng)變隙式電感傳感器差動(dòng)氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測(cè)量時(shí),銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連,當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng),使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加,另一個(gè)線圈的電感量減小,形成差動(dòng)形式。差動(dòng)變隙式電感傳感器下圖是差動(dòng)變隙式電感感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減少，形成差動(dòng)形式。差動(dòng)變隙式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿12344銜鐵下移：忽略高次項(xiàng)得靈敏度為：靈敏度提高一倍上式中不存在偶次項(xiàng)，顯然差動(dòng)式自感傳感器的非線性誤差在±Δδ工作范圍內(nèi)要比單個(gè)自感傳感器的小得多。優(yōu)點(diǎn)：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；③溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??；④電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。差動(dòng)式與單線圈自感式傳感器變面積式自感傳感器變截面式傳感器線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動(dòng)方向δ螺管式自感傳感器差動(dòng)式螺管型自感傳感器UsrUsc自感式傳感器的測(cè)量電路-調(diào)幅電路1.變壓器電路（工作臂Z1、Z2為傳感器兩個(gè)線圈的阻抗。）2.相敏檢波電路自感式傳感器的測(cè)量電路-調(diào)幅電路非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點(diǎn)殘余電壓的影響。3.諧振式調(diào)幅電路自感式傳感器的測(cè)量電路-調(diào)幅電路電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合。自感式傳感器的測(cè)量電路-調(diào)頻電路傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化GCLf靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合Lf0自感式傳感器的測(cè)量電路-調(diào)相電路自感式傳感器的靈敏度傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度轉(zhuǎn)換電路靈敏度總靈敏度自感式傳感器的應(yīng)用舉例電感式傳感器—般用于接觸測(cè)量，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量的基本量是位移，也可以用于振動(dòng)、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)測(cè)量。除螺管式電感傳感器外，還包括測(cè)量電橋、交流放大器、相敏檢波器、振蕩器、穩(wěn)壓電源及顯示器等，它主要用于精密微小位移測(cè)量。變氣隙差動(dòng)式自感壓力傳感器自感式圓度儀電感式圓度儀原理圖1-被測(cè)工件；2-精密主軸：3-傳感器；4-工作臺(tái)傳感器3與精密主軸2一起回轉(zhuǎn)，主軸2精度很高，在理想情況下可認(rèn)為它回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡是“真圓”。當(dāng)被測(cè)件1有圓度誤差時(shí)，必定相對(duì)于“真圓”產(chǎn)生徑向偏差，該偏差值被傳感器感受并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。載有被測(cè)件半徑偏差信息的電信號(hào)，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波、A／D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)處理，最后數(shù)字顯示出圓度誤差；或用記錄儀器記錄下被測(cè)件的輪廓圖形(徑向偏差)。自感式圓度儀自感式傳感器測(cè)液位自感式滾柱直徑分選裝置差動(dòng)變壓器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式（這兩種也稱氣隙型）和螺線管式等。在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1243(a)氣隙型123(b)螺管型41初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵互感現(xiàn)象EwEoutWW1W2Esx-x工作原理類似于變壓器。主要包括有銜鐵、初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和線圈框架等。初、次級(jí)繞組的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移的改變而變化。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，且以差動(dòng)方式輸出，相當(dāng)于變壓器的副邊。所以又把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱為差動(dòng)變壓器。螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同，有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級(jí)線圈；2次級(jí)線圈；3銜鐵(a)二節(jié)式(b)三節(jié)式(c)四節(jié)式(d)五節(jié)式311212112212123三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。差動(dòng)變壓器的等效電路差動(dòng)變壓器等效電路差動(dòng)變壓器輸出特性差動(dòng)變壓器主要特性1．靈敏度差動(dòng)變壓器的靈敏度是指差動(dòng)變壓器在單位電壓激磁下,鐵芯移動(dòng)單位距離時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓的變化，其單位為ｍV/(mmV)，一般差動(dòng)變壓器的靈敏度大于5ｍV/mmV。要提高差動(dòng)變壓器的靈敏度可以通過以下幾種途徑：見書P67。2.線性度理想的差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出電壓與鐵芯位移成線性關(guān)系。實(shí)際上，由于鐵芯的直徑、尺度、材料的不同和線圈骨架的形狀、大小的不同等，均對(duì)線性關(guān)系有直接影響，所以，一般差動(dòng)變壓器的線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10~1/4。差動(dòng)變壓器的線性度不僅是指鐵芯位移與次級(jí)電壓的關(guān)系，還要求次級(jí)電壓的相位角為一定值。后一點(diǎn)往往比較難以滿足，考慮到此因素，差動(dòng)變壓器的線性范圍約為線圈骨架全長(zhǎng)的1/10左右。另外，線性度好壞與激磁頻率、負(fù)載電阻等都有關(guān)系。獲得最佳線性度的激磁頻率隨鐵芯長(zhǎng)度而異。如果將差動(dòng)變壓器的交流輸出電壓用差動(dòng)整流電路進(jìn)行整流，能使輸出電壓線性度得到改善。也可以利用測(cè)量電路來改善差動(dòng)變壓器的線性度和擴(kuò)展線性范圍。零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作Ux，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。

零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因(1)基波分量。差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)繞組因材料或工藝等差異造成電路參數(shù)(R、L、M)不同；初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損、線圈匝間電容的存在，使激勵(lì)電流與其所產(chǎn)生的磁通不同相。(2)高次諧波。高次諧波主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激磁電流與磁通波形不一致，產(chǎn)生非正弦(主要是三次諧波)磁通．從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。圖是利用作圖法表示非正弦磁通的產(chǎn)生過程，同樣可以分析，由于磁化曲線的非線性影響，使正弦磁通產(chǎn)生尖頂?shù)碾娏鞑ㄐ?亦包含三次諧波)。消除零點(diǎn)殘余電壓的方法(1)從設(shè)計(jì)和工藝上盡量保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。(2)選用合適的測(cè)量線路。采用相敏檢波電路不僅可以鑒別鐵芯移動(dòng)方向，而且可以消除零點(diǎn)殘余電壓中的高次諧波成分，如圖所示，采用相敏檢波后鐵芯反行程時(shí)的特性曲線由1到2，從而降低零點(diǎn)殘余電壓。(3)采用補(bǔ)償電路。根據(jù)零點(diǎn)殘余誤差的產(chǎn)生原因，主要有以下幾類補(bǔ)償電路(見書P68圖3.2.9)：a.加串聯(lián)電阻(0.5~5)消除基波同相成分b.并聯(lián)電容C(100~500pF)，改變某一次級(jí)繞組相位，c.消除高次諧波分量d.加并聯(lián)電阻(0.1~1)×102k消除基波中正交成分；加反饋繞組和反饋電容補(bǔ)償基波及高次諧波分量。差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路-差動(dòng)整流電路差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路-相敏檢波電路外力作用下，變形使差動(dòng)變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)。差動(dòng)變壓器的應(yīng)用-力測(cè)量差動(dòng)變壓器的應(yīng)用-位移測(cè)量差動(dòng)變壓器測(cè)量的基本量仍然是位移。它可以作為精密測(cè)量?jī)x的主要部件，對(duì)零件進(jìn)行多種精密測(cè)量工作，如內(nèi)徑、外徑、不平行度、粗糙度、不垂直度、振擺、偏心和橢圓度等；作為軸承滾動(dòng)自動(dòng)分選機(jī)的主要測(cè)量部件，可以分選大、小鋼球、圓柱、圓錐等；用于測(cè)量各種零件膨脹、伸長(zhǎng)、應(yīng)變等。圖為測(cè)量液位的原理圖。當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出信號(hào)Uo=0；當(dāng)液位上升或下降時(shí)，Uo0，通過相應(yīng)的測(cè)量電路便能確定液位的高低。

差動(dòng)變壓器的應(yīng)用-壓力測(cè)量這種微壓力變送器，經(jīng)分檔可測(cè)(4~+6)104N/m2的壓力，輸出信號(hào)電壓為0~50mV，精度1.0級(jí)、1.5級(jí)。差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件組合，可以組成開環(huán)壓力傳感器。由于差動(dòng)變壓器輸出是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，常稱為變送器。利用差動(dòng)變壓器加上懸臂梁彈性支承可構(gòu)成加速度計(jì)。為了滿足測(cè)量精度，加速度計(jì)的固有頻率應(yīng)比被測(cè)頻率上限大3~5倍。由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量m不可能太小，而增加彈性片剛度k又使加速度計(jì)靈敏度受到影響，因此系統(tǒng)固有頻率不可能很高。所以，能測(cè)量的振動(dòng)頻率上限就受到限制，一般在150Hz以下。高頻時(shí)加速度測(cè)量用壓電式傳感器。差動(dòng)變壓器的應(yīng)用-振動(dòng)和加速度測(cè)量差動(dòng)變壓器的應(yīng)用-測(cè)速電渦流式傳感器概述成塊的金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)自動(dòng)閉合，通常稱為電渦流。電渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量線性范圍大，而且又具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。電渦流傳感器可以測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)，并且還可以進(jìn)行無損探傷和制作接近開關(guān)。電渦流傳感器主要有兩種類型：高頻反射式（應(yīng)用廣泛）和低頻透射式.電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)線圈1繞制在用聚四氟乙烯做成的線圈骨架2內(nèi)，線圈用多股漆包線或銀線繞制成扁平盤狀。使用時(shí)，通過骨架襯套3將整個(gè)傳感器安裝在支架4上，5、6是電纜和插頭。電渦流傳感器結(jié)構(gòu)電渦流傳感器（接近開關(guān)）外型圖電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)原理電渦流式傳感器的基本原理如圖：當(dāng)線圈通交變電流i1交變磁場(chǎng)H1金屬板中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電渦流i2磁場(chǎng)H2H2對(duì)線圈的反作用(減弱線圈原磁場(chǎng)),從而導(dǎo)致線圈的電感量L、阻抗Z或品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化。電渦流式傳感器的等效電路由此可得傳感器線圈由于受金屬導(dǎo)體中電渦流效應(yīng)影響的復(fù)阻抗為:得出線圈的等效電阻和等效電感分別為:測(cè)量電路-調(diào)頻式測(cè)量電路利用調(diào)頻諧振電路的特點(diǎn)，線圈電感量的變化可以直接使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。然后通過鑒頻器及附加電路將頻率的變化再變成電壓輸出。測(cè)量電路-調(diào)幅式測(cè)量電路調(diào)幅式測(cè)量電路穩(wěn)頻穩(wěn)幅正弦波振蕩器的輸出信號(hào)由電阻R加到傳感器上。先使傳感器遠(yuǎn)離被測(cè)物，則L＝L(即x趨于時(shí)的電感值)，調(diào)振蕩器的頻率到，得出最大輸出電壓u，然后保持振蕩器的頻率fo和幅值不變，當(dāng)被測(cè)物與傳感器線圈接近時(shí)，由于電渦流效應(yīng)，使線圈的電感量L變化，并使回路失諧，從而使輸出電壓u降低，由u的下降程度判斷距離x的大小。測(cè)量電路-電橋測(cè)量電路Z1、Z2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)線圈，或者一個(gè)是