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1、传感器技术 第5讲变磁阻式传感器变磁阻式传感器 主讲教师:刘遥生联系电话:13662686339第5课 变磁阻式传感器 内容：一、电感式传感器 二、变压器式传感器 三、电涡流式传感器 目的：1、了解变磁阻式传感器的基本工作原理；2、掌握变磁阻式传感器的基本结构和应用 技术。什么是变磁阻式传感器 ?利用线圈电感或互感的改变来实现非电 量测量的传感器称变磁阻式传感器。变磁阻式传感器是一种机电转换装置，在自动控 制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器 之一。与其它传感相比较有如下特点： 1、结构简单，寿命长。 2、灵敏度和分辩率高。能测出0.01m 的机械位移量。输出信 号强。 3、重复性好
2、，线性度优良。第一节电感式传感器 内容：一、电感式传感器主要用途和结构 二、电感式传感器的简单工作原理 三、电感式传感器的基本类型四、测量电路 第一节电感式传感器 一、电感式传感器主要用途和结构 铁芯衔铁线圈电感式传感器1、用途电感式传感器主要用于测量位移、压力、力、 振动和加速度。2、结构线圈、铁芯、衔铁第一节电感式传感器 二、工作原理 传感器运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚 度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的 电感值变化，因此只要测出这种电感量的变化，就能确定 衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可由下式计算：L=/ 式中线圈的匝数；穿过线圈的磁通，=
3、I/Rm Rm=2/0S0通过线圈的电流当气隙磁阻远大于铁芯和 衔铁的磁阻时，可近似为: (0空气的导磁率)铁芯衔铁线圈S0第一节电感式传感器 二、工作原理 上式表示，当线圈匝数为常数 时，电感L仅仅是磁路中磁阻 Rm的函数，只要改变或S0均可 导致电感变化，因止电感式传 感器又可分为变气隙厚度的传 感器和变气隙面积S0的传感器铁芯衔铁线圈S0第一节电感式传感器 三、电感式传感器的类型 铁芯衔铁线圈S0单线圈式传感器铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器第一节电感式传感器 四、测量电路 铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器Z2Z1Z2Z1Z3=RU0Z4=RUAC交流电桥测量电路L0
4、衔铁在中间位置时单个线圈的电感,，L两线圈电感的差量第一节电感式传感器 四、测量电路 铁芯衔铁线圈S012差动变隙式电感式传感器Z2Z1UIUI/2UI/2Z1Z2 Uo变压器式交流电桥第二节 差动变压器式传感器 内容：一、结构及原理二、基本特性三、测量电路第二节 差动变压器式传感器 一、结构及原理1、什么叫差动变压器式传感器？把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称 为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成 的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传 感器。1变隙式 2变面积式 3螺线管式2、类型活动衔铁导磁外壳骨架次级绕组初级绕组次级绕组图-3 螺线管差变压器
5、结构图第二节 差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）第二节 差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）图-6 三节式图-4 一节式图-5 二节式图-7 四节式第二节 差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）图-8 五节式第二节 差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）图-3 螺线管差变压器结构图次级绕组初级绕组次级绕组第二节 差动变压器式传感器 一、结构及原理（螺旋管式）次级绕组次级绕组图-3 螺线管差变压器结构图初级绕组第二节 差动变压器式传感器 二、测量电路（螺旋管式）0UU00U直接利用测量信号只能识别移动大小，但不能识别方向第二节 差动变压器式传感器 二、测量电
6、路（螺旋管式）第二节 差动变压器式传感器 二、测量电路（螺旋管式）第三节 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理 二、结构类型三、测量电路第三节 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理 1、何谓电涡流式传感器 ？运用电涡流效应构成的某参数测量装置 称电涡流式传感器。 第三节 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理 2、什么是电涡流效应? 当线圈通一交变电流时，线圈周围 就产生一个交变磁场H1。第三节 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理 2、什么是电涡流效应? 如果把一块导体放在变化着的磁 场中或相对于磁场力时，由于导体内 部可构成闭合回路，穿过回路的磁通 发生变化，因此在导
7、体中也会产生感 应电流，这些电流在导体内自行闭合 成漩涡状，故称为电涡流，筒称涡流 。该涡流产生的磁场H2与H1方向相反 ，力图削弱原磁场H1，从而导致线圈 的电感量L、阻抗Z和品质因数Q发生 变化，这就是电涡流效应。H1H2第三节 电涡流式传感器 图15高频反式电涡流传感器原 理一、电涡流式传感器工作原理 有一通交变电流I1的传感器 线圈，由于电流I1的存在，线圈 周围就产生一个交变磁场H1。若 被测导体置于该磁场范围内，导 体内便产生电涡流I2，I2也将产生 一个新磁场H2；H2与H1方向相反 ，力图削弱原磁场H1，从而导致 线圈的电感量L、阻抗Z和品质因 数Q发生变化。第三节 电涡流式传
8、感器 图15高频反式电涡流传感器原 理一、电涡流式传感器工作原理 影响参数的变化因数： （取决于导体的）1几何形状 2电导率4线圈的几何参数 5电流的频率f 6线圈到被测导体间的距离x3磁导率控制上述参数中的任一参数改变，余者皆不 变，就能构成测量该参数的传感器。 第三节 电涡流式传感器 图15高频反式电涡流 传感器原理一、电涡流式传感器工作原理 第三节 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理 （4-35）（4-36）（4-37）第三节 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器工作原理 由式（4-35）（4-37）可知，线圈金属导体 系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系 数平方的函数。而互
9、感系数L又是距离X的非线性 函数，因此当构成电涡流式位移传感器时， z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但 在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性 函数来表示，于是在该范围内通过测量z、L或Q的 变化就可以线性地获得位移的变化。第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式2变面积式3螺旋式4低频透射式类 型（4种）第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式由一个扁平线圈固定在 框架上构成。线圈用高强度 漆包铜线或银线绕制(高温使 用时可采用铼钨合金线)，用 粘结剂粘在框架端部或绕制 在框架槽内。 线 圈框 架框 架 衬
10、 套支 座插 头电 缆电涡流传感器的结构第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式分析表明，这种传感器 线圈外径大时，线圈的磁场 轴向分布范围大，线圈外径 小时则相反 。 线圈轴向磁感应强度与轴向距离的关系第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 1高频反射式需要指出由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之 间的电磁耦合进行工作的，被测导体作为“实际传感器” 的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特 性密切相关。因此有必要对被测体进行讨论。 1、被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。 2、被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量
11、 精度。 3、被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。 4、对被测体厚度也有一定要求。 第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 2变面积式这种传感器是利用 被测导体与传感器线圈之 间相对覆盖面积的变化引 起涡流效应的变化来测量 位移的。测量的线性范围 比高频反射式大，且线性 度提高。被测圆筒X第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 3螺旋式由铜(或银)制短路套筒和螺管线圈组成，短路套筒能沿螺管 线圈轴向移动。这种传感器与螺管式电感传感器相似，但不存在 铁损；线性范围宽，但灵敏度较低。为此，常用差动结构，且取 短路套筒长为线圈长的60左右。 螺管线圈 螺管线圈 短路套筒
12、 第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 4低频透射式这种类型与前三种的 主要不同在于它采用低频 激励，贯穿深度大，适用 测量厚度。 组成：发射线圈L、接收线圈 L2组成 发射线圈接收线圈第三节 电涡流式传感器 二、电涡流式传感器的结构类型 4低频透射式原理：当低频激励电压U1加到L1的 两端时，将在L2的两端产生感应电 压U2。若两线圈之间无金属导体， L1的磁场就能直接贯穿L2，这时 U2最大。当有金属板后，其产生的 涡流，削弱了L1的磁场，造成U2下 降。金属板越厚，涡流损耗大，U2 就越小。因此可利用U2的大小来反 映金属板的厚度。发射线圈接收线圈第三节 电涡流式传感器
13、三、测量电路 针对被测变量可以转换为线圈电感L、阻抗Z或 品质因数Q值的三种参数的变化，测量电路也有三 种。2、电桥电路3、Q值测试电路。 （Q值测试电路较少采用） 1、谐振电路 第三节 电涡流式传感器 三、测量电路 1、谐振电路 （1）定频调幅式（2）变频调幅式（3）调频式。 第三节 电涡流式传感器 三、测量电路 1、谐振电路 （1）定频调幅式第三节 电涡流式传感器 三、测量电路 1、谐振电路 （1）定频调幅式第三节 电涡流式传感器 三、测量电路 1、谐振电路 （2）变频调幅式第三节 电涡流式传感器 三、测量电路 1、谐振电路 （2）变频调幅式第三节 电涡流式传感器 三、测量电路 1、谐振电
14、路 （3）调频式第四节 变磁阻式传感器的应用 一、电感式传感器的应用 第四节 变磁阻式传感器的应用 二、差动变压器式传感器的应用1测量振动和加速度 差动变压器式加速度传感器的结构示意图 第四节 变磁阻式传感器的应用 二、差动变压器式传感器的应用2测量大型构件的应力和位移 差动变压器式传感器测量应力和位移原理图 第四节 变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用1测量位移 液位监控系统 涡流板 传感器 浮子 第四节 变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用2测量厚度测金属板厚度示意图第四节 变磁阻式传感器的应用 三、电涡流式传感器的应用3测量温度在较小的温度范围内，导体 的电阻率与温度
15、的关系为：式中 p1、p0分别为温度t1与t0时的电 阻率；为在给定温度范围内的电阻温度 系数。补偿线圈管架测量线圈温度敏感元件隔热衬垫测温用涡流式传感器示意图高频电流通过励磁线圈，产 生交变磁场，在铁质锅底会 产生无数的电涡流，使锅底 自行发热，烧开锅 内 的 食 物。第四章 变磁阻式传感器小结 1电感式传感器主要介绍变隙式电感传感器，它分为变气隙厚度的和变气隙面积的两种 类型传感器，使用最广泛是变气隙厚度式电感传感器，变气隙式电感传感器分 单线圈式和差动式两种类型。2差动变压器式传感器 分为变隙式、变面式、和螺线管式三种，应用较为广泛的是螺线管式差动变压 器。螺线管式差动变压器由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳组成。3电涡流式传感器 电涡流式传感器是根据电涡流效应制成的。当块状金属导体置于交变磁场 中，或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此 即电涡流效应。 完
