变磁阻式传感器

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1、第五章 电感式传感器（变磁阻）l自感式传感器 u气隙型自感传感器 u螺管型自感传感器 u自感线圈的等效电路 u测量电路 l差动变压器 u结构原理与等效电路 u误差因素分析 u测量电路 u应用 l电涡流式传感器定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电 测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： 结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.520010-5N时，磁吸力为(110)10-5N。 分辨力高 机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/m

2、m 。 重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度 较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。 一、 自感式传感器 有气隙型和螺管型两种结构。 （一）气隙型自感传感器 1、工作原理 组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。 图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l 。0.5l123x(a)气隙式 (b)变截面式N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻) 气隙式自感传感器，因为气隙较小(l为0.11mm)， 所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则 磁路总磁阻为l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积；S1：铁芯

3、横截面积；S2：衔铁横截面积；1：铁芯磁导率； 2：衔铁磁导率；0：真空磁导率，0=410-7Hm；l：空气隙总长。由磁路基本知识知，线圈自感为由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导 率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻 小，所以上式可简化为 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,l) 如果S保持不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感 传感器；若保持l不变，使S随位移变化，则构成变截 面式自感传感器。其特性曲线如图。L=f（S）L=f（l） lLSL=f(l)为非线性关系。当l0时，L 为，考虑导磁体的磁阻，当l0 时，并不等于，而具有一定的数 值，在l较小时其

4、特性曲线如图中虚 线所示。如上下移动衔铁使面积S改 变，从而改变L值时,则Lf(S)的特 性曲线为一直线。 2、特性分析 主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导 磁材料，且截面相同时，因为气隙l一般较小，故可认 为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l ，则 K=0N 2S一般r1，所以当气隙减少l时自感的相对变化同理，当总气隙长度增加l时，自感减小为L2，即若忽略高次项，则自感变化灵敏度为 线性度lLL1L2L0l0当气隙l发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非 线性关系，其非线性程度随气隙相对变化l/l的增大 而增加； 气隙减少l所引起的自感变化L1与气隙增加同样 l所引

5、起的自感变化L2并不相等，即L1L2，其差 值随l/l的增加而增大。差动变气隙式自感传感器 结构由两个电气参数和磁 路完全相同的线圈组成。 当衔铁3移动时，一个线圈 的自感增加，另一个线圈 的自感减少，形成差动形 式。如将这两个差动线圈(l- l)/2(l- l)/2EUSC1342RR分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变l时， 自感相对变化为差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 差动式自感传感器非线性失真小,如当l/l=10时 (略 去llr), 单线圈10；而差动式的1。l/mm对差动气隙式传感器其l/l与 l/(lr)的变化受到灵敏度和非线 性失真相互矛盾的制约,因此只能

6、适当选取。一般差动变隙式自感 传感器l/l0.10.2时，可使 传感器非线性误差在3左右。 其工作行程很小,若取l2mm,则 行程为(0.20.5)mm；较大行程 的位移测量,常利用螺管式自感传 感器1 线圈自感特性； 2 线圈自感特性；3 线圈与差动自感特性；4 特性曲线75502505075100L/mH10025LD43211234- l l差动式自感传感器的输出特性（二） 螺管型自感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根 圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度 的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励 时，则线圈的输出

7、电压与铁芯的位移量有关。rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度， 比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。 螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（ ）I Nlx（l）若被测量与lc成正比， 则L与被测量也成正比 。实际上由于磁场强度分 布不均匀，输入量与输出 量之间关系非线性的。 为了提高灵敏度与线性度 ,常采用差动螺管式自感 传感器。图(b)中H=f(x)曲 线表明：为了得到较好的 线性,铁芯长度取0.6l时,

8、则 铁芯工作在H曲线的拐弯 处,此时H变化小。这种差 动螺管式自感传感器的测 量范围为(550)mm,非线 性误差在0.5左右。 2lclc2l 线圈线圈r0.8 0.6 0.40.20.2 0.4 0.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）IN l差动螺旋管式自感传感器(a)结构示意图 (b)磁场分布曲线x(l)(a)(b)综上所述，螺管式自感传感器的特点：结构简单，制造装配容易；由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低， 但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝 数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形

9、状必须稳定，否则影响其线 性和稳定性。 （三）自感线圈的等效电路 假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括： 线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和 线圈的寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路 如图。 CLRcRe（四）测量电路 1、交流电桥 交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏 度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。 Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=RRS1=RS2=RS； L1=L2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗 。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z- ZZLR1

10、R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCE其输出电压幅值 当ZL时输出阻抗 为自感线圈的品质因数。桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。当Q值很高时，Usc ； 当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线 圈相当于纯电阻(ZRs)，交流电桥即为电阻电桥。例如，应变测量仪就是如此，此时输出电压Usc= 。该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一 个电位器组成，调零方便。 2、变压器电桥 平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷

11、大时 ，流入工作臂的电流为 初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平 衡时，USC=0。双臂工作时， 设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当 于差动式自感传感器的衔铁向 一侧移动，则同理反方向移动时Z1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原理图I可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小 相等、方向相反，即相位互差180，可反映衔铁移动的 方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的 相敏检波电路。 优点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻 抗小，桥路开路时电路呈线性； 缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应 电压，使高增益放大器不能工作。 变压器电桥的输出电压幅值输出阻抗

12、为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的 阻抗)二、 差动变压器 （一）结构原理与等效电路 分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动 变压器。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型其基本元件有衔铁、初级线 圈、次级线圈和线圈框架等 。初级线圈作为差动变压器 激励用，相当于变压器的原 边，而次级线圈由结构尺寸 和参数相同的两个线圈反相 串接而成，相当于变压器的 副边。螺管形差动变压器根 据初、次级排列不同有二节 式、三节式、四节式和五节 式等形式。321212112(a)(b)(c)(d)12112差动变压器线圈各种排列形式 1 初级线圈；2 次级线圈；

13、3 衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性 范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。在理想情况下(忽略线圈寄生 电容及衔铁损耗)，差动变压 器的等效电路如图。 初级线圈的复数电流值为e1初级线圈激励电压 L1,R1初级线圈电感和电阻 M1,M1分别为初级与次级线圈 1,2间的互感 L21,L22两个次级线圈的电感 R21,R22两个次级线圈的电阻e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；由于Il的存在，在次级线圈 中产生磁通Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻， N1为初级线圈匝数。N2为次级

14、线圈匝数。因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为其幅数输出阻抗或副0e2e2 e21e22x副原线圈差动变压器输 出电势e2与衔 铁位移x的关系 。其中x表示衔 铁偏离中心位 置的距离。 （二） 误差因素分析1、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发 生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当 地选择频率，其影响不大。2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化 ，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质 因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比 恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动

15、电 桥可以减少温度的影响。 3、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其 输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点 仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在， 称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输 出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区 ；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和 ，影响电路正常工作等。 0e2x-xe201 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰ee1e20e201 234 5(a)残余电压的波形 (b)波形分析tt图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相 成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电 磁干扰等。 零点残余电压产生原因： 基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全 一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗 电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势 数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损 和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励 电流与所产生的磁通相位不同。 高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的 非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激 励电流与磁通波形