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1、第3章 变磁阻式传感器,,自感式传感器,1.2,第3章 变磁阻式传感器,互感式传感器,3.3,电涡流式传感器,3.4,,图3.1 变气隙式自感传感器 图3.2传感器线圈的等效电路 L-线圈电感；R-线圈铜耗电阻；Re-铁心涡流损耗电阻；R磁滞损耗电阻；C-线圈的寄生电容,第一节 传感器线圈的电气参数分析,,第3章 变磁阻式传感器,类似于上述自感式传感器，变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。因此，分析铁心线圈的电气参数与它们对线圈特性的影响，对了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。为此，我们将传感器线圈等效成图3.2所示的等效电路，并对电路参数及其影响一一进行讨论。 1.线圈
2、电感L由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为,(3-1),式中 Rm磁路总磁阻。,,第3章 变磁阻式传感器,当线圈具有闭合磁路时式中 RF导磁体总磁阻。 当线圈磁路具有小气隙时式中 R气隙总磁阻。,(3-2),(3-3),,第3章 变磁阻式传感器,为了分析方便，电感L用统一的式子表达。为此，引入等效磁导率概念，即将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为，磁通截面积为S，磁路长度为，于是式(3-1)变为 (3-4)式中 真空磁导率，410-7(H/)。,,第3章 变磁阻式传感器,2.铜损电阻Rc取决于导线材料及线圈的几何尺寸 3.涡流损耗电阻R 由频率为的交变电流激励产生的交变磁场，会在
3、线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。 4.磁滞损耗电阻Rh铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转而要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。 5.并联寄生电容C的影响并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。,,第3章 变磁阻式传感器,图3.3 线圈等效电路的变换形式,为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将图3.2中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻Re与串联电感L的等效电路，如图3.3所示。这时Re和L的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即,,第3章 变磁阻
4、式传感器,(3-5),(3-6),,第3章 变磁阻式传感器,当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗Z为,(3-7),,式中 总的损耗电阻 ，品质因数 。 当Q1时，1/Q2可以忽略，式(3-7)可简化为,第3章 变磁阻式传感器,(3-8),有效值Q为,(3-9),电感的相对变化,(3-10),,第3章 变磁阻式传感器,一.工作原理与输出特性按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种；。,第二节 自感式传感器,,第3章 变磁阻式传感器,1.变气隙式自感传感器由于变气隙式传感器的气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则传感器的磁路总磁阻为,
5、(3-11),,第3章 变磁阻式传感器,将式(3-11)代入式(3-1)，可得,(3-12),由式(3-12)可知，当铁心、衔铁的材料和结构与线圈匝数确定后，若保持S不变，则L即为的单值函数，这就是变气隙式传感器的工作原理。为了精确分析传感器的特性，利用前述等效磁导率e的概念，由式(3-4)可得,(3-13),,第3章 变磁阻式传感器,同时，由式(3-11),(3-14),式中 铁心和衔铁的相对磁导率，通常1。 所以,(3-15),代入式(3-4)可得带气隙铁心线圈的电感为,,第3章 变磁阻式传感器,(3-16),式中 ，为一常数。 对式(3-16)进行微分可得传感器的灵敏度为,(3-17),
6、常取/20.10.5， (1/51/10)。,,第3章 变磁阻式传感器,2.变面积式自感传感器若图3.1所示传感器的气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变(衔铁水平方向移动)，即构成变面积式自感传感器。此时由式(3-16),(3-18),式中 ，为一常数。 微分得灵敏度为,(3-19),,第3章 变磁阻式传感器,3.螺管式自感传感器,图3.4 螺管式自感传感器原理图,,第3章 变磁阻式传感器,4.差动式自感传感器绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能：由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。,,第3章 变磁阻式传感器,采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵
7、敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。图3.5表示传感器非线性改善的情况。,,第3章 变磁阻式传感器,二.测量电路 1.电桥电路 自感式传感器常用的交流电桥有以下几种。,图3.6 输出端对称电桥 ()一般形式；()变压器电桥,,第3章 变磁阻式传感器,(1)输出端对称电桥 图3.6(a)为输出端对称电桥的一般形式。图中Z1、Z2为传感器两线圈阻抗， 为外接电阻，通常 。设工作时， ，电源电势为E，于是,(3-20),输出电压幅值和阻抗分别为,,第3章 变磁阻式传感器,(3-21),(3-22),式(3-20)经变换和整理后可写成,(3-23)
8、,式中 Q电感线圈的品质因数， 。,,第3章 变磁阻式传感器,由式(3-23)可见，电桥输出电压 包含着与电源 同相和正交的两个分量；而在实际使用时，希望只存在同相分量。通常由于 ，因此要求线圈有较高的Q值，这时,(3-24),图(b)是图(a)的变型，称为变压器电桥。它以变压器两个次级作为电桥平衡臂。显然，其输出特性同(a)。由于变压器次级的阻抗通常远小于电感线圈的阻抗，常可忽略，于是输出阻抗式(3-22)变为,,第3章 变磁阻式传感器,(3-25),图(b)与图(a)相比，使用元件少，输出阻抗小，电桥开路时电路呈线性，因此应用较广。,图3.7 电源端对称电桥,,第3章 变磁阻式传感器,(2
9、)电源端对称电桥 如图3.7所示，电桥输出电压为,设工作时 ，则有,(3-26),输出电压幅值和阻抗分别为,(3-27),,第3章 变磁阻式传感器,这种电桥由于变压器次级接地，可避免静电感应干扰，但由于开路时电桥本身存在非线性，故只适用于示值范围较小的测量。 当采用交流电桥作测量电路时，输出电压的极性反映了传感器衔铁运动的方向。,(3-28),,第3章 变磁阻式传感器,图3.8 ()谐振电路 ()谐振曲线,2.谐振电路,,3.恒流源电路这种电路与大位移(螺管式)自感传感器配用，见图3.9。传感器线圈用恒流源激励，1是衔铁在螺管线圈内移动时线圈两端的电压，2是与1反相、幅值恒定的电压，0为电路输
10、出电压。于是，01-2。2的作用是抵消电压的非线性部分，使输出电压呈线性。由图可见，当衔铁刚进入传感器线圈时，其电压灵敏度dU/da较低，线性也较差。当a后，灵敏度提高，线性改善，进入工作区域。,第3章 变磁阻式传感器,,第3章 变磁阻式传感器,图3.9 大位移自感式传感器工作原理 ()电原理图；()输出特性,,第3章 变磁阻式传感器,4.调频电路,图3.10 电感调频式位移传感器结构图 1谐振电容；2调频振荡器；3电感线圈；4磁性套筒；5导杆(衔铁),,第3章 变磁阻式传感器,当传感器线圈电感L发生变化时，调频振荡器的输出频率相应变化。利用阶梯形无骨架线圈，可使衔铁的位移变化与输出频差变化呈
11、线性关系。传感器的结构见图3.10。 由于输出为频率信号，这种电路的抗干扰能力很强，电缆长度可达1km，特别适合于野外现场使用。,,第3章 变磁阻式传感器,5.相敏检波电路 相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。,图3.11 相敏检波电路 ()带相敏检波的交流电桥；()实用电路,,第3章 变磁阻式传感器,如图3.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时，Z1Z2Z，电桥平衡，U0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4
12、导通，D2、D3截止。在AECB支路中，C点电位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正,,第3章 变磁阻式传感器,如供桥电压为负半周，B点电位高于A 点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。 实际采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B
13、的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。,,第3章 变磁阻式传感器,三.自感式传感器的误差 1.输出特性的非线性 各种自感式传感器，都在原理上或实际上存在非线性误差。测量电路也往往存在非线性。为了减小非线性，常用的方法是采用差动结构和限制测量范围。,图3.12 阶梯形线圈,,第3章 变磁阻式传感器,对于螺管式自感传感器，增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，对于差动式则应保证其对称性，合理选择衔铁长度和线圈匝数。另一种有效的方法是采用阶梯形线圈，如图3.12所示。 2.零位误差 差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差，如图3.13(a)所示。过大的零位电压会使放大器提前饱和，若传感器输出作为伺服系统的控制信号，零位电压还会使伺服电机发热，甚至产生零位误动作。,,第3章 变磁阻式传感器,零位电压的组成十分复杂，如图3.13(b)所示。它包含有基波和高次谐波。,
