第6章-变磁阻式传ppt课件(全)

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第6章变磁阻式传感器6.1电感式传感器6.1.1自感式传感器6.1.2差动变压器式传感器6.1.3电感式传感器的零点残余电压6.1.4常见的电感式传感器展示6.1.5电感式传感器的应用6.2电涡流式传感器6.2.1电涡流式传感器的结构与工作原理6.2.2电涡流式传感器的测量线路6.2.3常见的电涡流传感器6.2.4电涡流传感器的应用

16.1电感式传感器电感式传感器实质上是一个带铁心的线圈，它是利用线圈的电磁感应原理把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，将L或M接入适当的测量电路，变换成电信号，实现非电量到电量的转换。电感式传感器的种类很多，可分为自感式和互感式两大类，习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传感器，而互感式传感器利用了变压器原理，往往做成差动式，故常称为差动变压器式传感器。

26.1.1自感式传感器1．工作原理自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成，其中铁心和衔铁都由导磁材料（如硅钢片或坡莫合金）制成。在铁心和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度δ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，因此只要能测出电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

32．结构和主要特性根据物理量变化的不同，自感式传感器可以分成变隙式、变面积式和螺管插铁式三种类型。

41）变隙式电感传感器（1）变隙式电感传感器的工作原理变隙式电感传感器的线圈是套在铁心上的，在铁心与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连，当运动部分产生位移时，空气隙厚度发生变化，从而使电感值发生变化，如图6-1（a）所示。（2）变隙式电感传感器的输出特性当线圈匝数和空气隙截面积为定值时，电感量L与空气隙厚度δ成反比，因此改变空气隙厚度就能使电感量变化，其特性曲线如图6-2所示。

52）变面积式传感器当气隙长度不变时，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而变化，线圈电感量与磁通横截面积S成正比，是一种线性关系，这种传感器称为变面积式电感传感器，其结构图如图6-1（b）所示。3）螺管式传感器螺管式传感器也称为螺管插铁式电感传感器，其结构如图6-1（c）所示，主要元件由一只螺线管和一根柱形衔铁构成。螺管式传感器工作时，衔铁随被测对象的移动而移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈的电感也因此而变化。线圈的电感与铁心插入线圈的深浅程度有关。

64）差动式自感传感器前面几种类型的自感传感器可以制成各种形状，但都存在严重的非线性问题，为了减小非线性，在实际使用中常采用两个相同的传感线圈共用一个活动衔铁，构成差动式电感传感器，来提高传感器的灵敏度，减小测量误差。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。如图6-3所示是变间隙式、变面积式及螺管式三种类型的差动式电感传感器。

7（1）差动式自感传感器的工作原理在实际应用中，将传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成，构成四臂交流电桥，供桥电源为交流电源。初始状态时，衔铁处于中间位置，两边气隙相等，因此，两只电感线圈的电感量相等，数值极性相反，电桥输出为零，即电桥处于平衡状态。当衔铁偏离中间位置，造成两边气隙不一样，使得两只电感线圈的电感量一增一减，电桥不平衡，此时电桥输出电压的大小与衔铁的移动大小成比例，其相位则与衔铁移动的方向有关。若衔铁带动连动机构就可以测量多种非电量，如位移、液面高度、速度等。

8（2）差动式自感传感器的输出特性差动式自感传感器的输出特性是指电桥输出电压U0与传感器衔铁位移量Δδ之间的关系。非差动式电感传感器电感量变化ΔL和位移量Δδ之间成非线性，当构成差动电感传感器时，并且接成电桥形式后，电桥输出电压U0将与ΔL有关。自感传感器的差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。

93．电感式传感器的测量转换电路电感式传感器能实现把被测量的变化转变为电感量的变化，为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路把电感的变化转换成电压（或电流）的变化。电感传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式、谐振式调幅电路、调频电路和调相电路等几种。

101）交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路所示的结构原理如图6-4所示，把传感器的两个线圈作电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻Z3和Z4（Z3=Z4=R）代替。对于高Q值（）的差动式自感传感器，其输出电压式中，L0—为衔铁在中间位置时，单个线圈的电感；R0—为其铜损耗所对应的电阻；ΔL—为两线圈电感的变化量。

112）变压器式交流电桥变压器交流电桥如图6-5所示，Z1和Z2为传感器线圈阻抗，另外两臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。输出电压取自A、B两点，假定D点为零电位，且传感器线圈为高Q值，即线圈的直流电阻远小于其感抗，则可以推导出输出电压为

123）谐振式调幅电路图6-6（a）所示是一种谐振式调幅电路，图中传感器电感L与一个固定电容C和一个变压器T串联在一起，接入外接电源U后，变压器的二次侧将有电压U0输出，输出电压的频率和电源频率相同，幅值随电感L变化而变化。图6-6（b）所示为输出电压U0与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近线性段的那一段。

134）调频电路调频电路的基本原理是将传感器电感L的变化转变成输出电压频率的变化。一般情况下，把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡电路中，如图6-7（a）所示，图中G表示振荡电路，其振荡频率=1/2π，当L变化时，振荡频率随之变化，根据的大小即可测出被测量的值。当L有了微小变化后，频率变化为图6-7（b）示出了f与L的特性，它具有严重的非线性关系，实际应用时，要求后续电路能对非线性问题进行处理。

144．电感式传感器的特点1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠性好，寿命长。2）灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般为每毫米的位移可达数百毫伏的输出。3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围内几十微米至数毫米内，传感器非线性误差可做到0.05%～0.1%，并且稳定性也较好。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中被广泛采用；但是它也具有频率响应较低，不宜快速测控等缺点。

156.1.2差动变压器式传感器变压器式传感器本身是互感系数可变的变压器。当一次侧线圈接入激励电源后，二次侧线圈就将感应产生电压输出，互感变化时，输出电压也将作相应变化。差动变压器式传感器实质是将被测的非电量变化转换为线圈互感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，通常将变压器的次级线圈接成差动形式，故又称差动变压器式传感器。差动变压器式传感器的结构形式有变隙式、变面积式和螺管式等几种。差动变压器式传感器结构简单、灵敏度高、测量范围大，广泛地用于位移、压强、荷重、液位等非电量参数的测量。

161．差动变压器式传感器的结构与工作原理在测量中，应用最多的是螺管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。故以螺管式差动变压器为例介绍差动变压器式传感器的基本情况。螺管式差动变压器式传感器由一次线圈、二次线圈和铁心几部分组成，两个二次线圈的同名端反向串联连接，它的结构与等效电路如图6-8所示。

17图中为一次线圈激励电压；M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈的互感；L1、R1为一次线圈的电感与有效电阻；L21、L22、R21、R22为两个二次线圈的电感与有效电阻。

18当一次线圈加入激励电源后，二次线圈开路时，一次线圈的激励电流为根据电磁感应定律，二次线圈中的感应电动势为由于二次线圈反向串联，则二次线圈的空载输出电压为

19当差动变压器的结构及电源电压一定时，互感系数的大小与衔铁的位置有关，即被测信号导致衔铁移动引起互感系数变化时，输出电压将随之作出相应变化。当衔铁位于线圈中心位置时，M11=M12=M0，此时输出电压当衔铁偏离中心向上移动时，M11=M0+ΔM，M12=M0－ΔM，此时输出电压为由上所述，差动变压器的输出电压的幅值U2m与总的互感器变化量2ΔM成正比，在铁心上下偏移量相等时，输出电压大小相等，相位相反。同理，当衔铁向偏离中心向下移动时，输出电压为

202、差动变压器式传感器的主要性能1）灵敏度差动变压器式传感器的灵敏度用单位位移输出的电压或电流来表示，其灵敏度一般可达0.5～5V/mm，行程越小，灵敏度越高。影响灵敏度的因素有：激励源电压和频率、差动变压器一、二次绕组的匝数比，衔铁直径与长度、材料质量、环境温度、负载电阻等。2）线性范围理想的差动变压器式传感器的输出电压应与衔铁位移成线性关系。但实际上由于衔铁的直径、长度、材质和线圈骨架的形状、大小的不同，都会对其线性产生直接的影响，差动变压器式传感器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。

213．差动变压器式传感器的测量电路差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟数字电压表测量，只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值必定含有零点残余电压。为了能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路两种测量电路。

221）差动整流电路差动整流电路是把差动变压器的两个二次电压分别整流，然后将它们整流的电压或电流差值作为输出。这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。差动整流电路有四种连接形式：全波差动整流电路（包括全波电流输出和全波电压输出）、半波差动整流电路（包括半波电流输出和半波电压输出），电路图如图6-9所示。图中（a）、（b）适用于交流负载阻抗，（c）、（d）适用于低负载阻抗，电阻R0用于零点残余电压的调整。

232）相敏检波电路二极管相敏检波电路如图6-10所示，主要是起到辨向及消除零点残余电压的作用，电路结构为：①输入信号u2（差动变压器式传感器输出的调幅波电压）通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线A、B。T1的原副边变压比为n1；②参考信号uS（与u1同频同相）通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线C、D。T2的变压比为n2；③输出信号u0从变压器Ｔ1与Ｔ2的中心抽头引出。uS的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态。

24根据图6-10（b）、（c）可知，当利用相敏检波电路进行测量时，会有位移Δx>0和Δx<0两种情况：①Δx>0时，u2与u0为同频同相；②当Δx<0时，u2与u0为同频反相。相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移变化的大小，而且反映了位移的方向。

256.1.3电感式传感器的零点残余电压1、零点残余电压的产生螺管差动变压器式传感器的两组次级线圈反向串接，因此当铁心处于中央位置时（通常称为零点），输出信号电压应为零，但是，实际情况下，其输出电压并不等于零，而是有一个很小的电压值U0，这个电压一般称为“零点残余电压”，零点残余电压的存在会给测量带来误差，其值过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，因此零点残余电压的大小是判断传感器质量好坏的重要标志之一。产生零点残余电压的原因主要有以下几点：（1）两次级线圈结构上的不对称，造成两电感线圈的等效参数不对称。（2）铁心材料B-H曲线的弯曲部分所引起的输出电压有高次谐波造成的零点残余电压。（3）由激磁电压波形中的高次谐波引起。

262、零点残余电压的消除方法若传感器的零点残余电压过大，会影响测量精度，必须要采取一定方法来消除零点残余电压，主要有以下几种方法：（1）提高线圈的框架的对称性，特别是两组次级线圈的对称性。（2）采用适当的测量线路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器的方法，这样可以使零点残余电压可以减小到忽略不计的程度。（3）采用适当的补偿电路，使零点残余电压减小至接近于零。下面介绍几种常见的补偿电路的例子。

27①电阻补偿，其原理图如图6-11所示。②电容补偿电路，其原理图如图6-12所示。③阻容补偿电路，其原理图如图6-13所示。在上述三种类型的补偿电路中，使用时，在没有输入信号（铁心在中间）的情况下，调整电位器RW或电容C，使次级绕组的输出为零，这样可减小零点残余电压对测量的影响。

286.1.4常见的电感式传感器展示1、PR型电感位移传感器PR型电感位移传感器的特性参数见表6-1所示。

292、HEL型电感式位移计HEL型电感式位移计主要用于测量直线位移，其主要特性参数如表6-2所示。3、UO5型电感式位移传感器UO5型电感式位移传感器可用于测量位移，与电子仪器配套使用可测量距离、尺寸、厚度、弯曲、位移、同心度、偏心度、变形阀门行程等，其特性参数表如表6-3所示。

304、BWG系列电感调频式位移传感器该种类型的传感器用电感式传感器单元与集成电路调频振荡器合装一起构成调频型测量仪器，具有体积小，质量轻，坚固耐震，稳定可靠和灵敏度高，线性好等优点，其特性参数见表6-4所示。

315、电感式差压传感器该种类型传感器由两只电感线圈中间夹一感应膜片组成。在起始位置，膜片处于中间位置，两线圈电感值相同。在压力作用下，膜片变形，造成两边气隙不同，电感值发生变化，与载波放大器组成全桥电路，电信号放大输出。该传感器可用于国防科研和航空工业，以及其他科研测试与自控系统，能测差压和表压，其特性参数见表6-5所示。

326、WE-I型位移传感器这种类型的位移传感器采用了差动变压器原理设计，差动变压器是一种变压器型的电感式机电转换元件，将处于交变磁场种的磁心位移，通过可动磁心产生的互感变化转换成与该位移成基本线性函数关系的电信号。根据输出电信号的大小和极性，相应计量位移或其他机械量的大小和方向。该传感器可用于线位移和变形等测量，配以适当的装置可测量记位，其特性参数见表6-6。

337、GW3型位移测量仪该位移测量仪由测量探头和变换器组成，探头利用“差动变压器”原理。变换器由10kHz高稳定度振荡器、测量放大器数字显示器等组成。该传感器可用于静态线位移和低频振幅测量，特性参数见表6-7所示。

346.1.5电感式传感器的应用1．自感式位移传感器自感式传感器具有灵敏度比较好（可测量0.1μm的直线位移）、输出信号比较大、信噪比比较好、工艺要求不高、加工容易的特点，但是存在非线性，消耗功率较大，测量范围比较小的缺点。自感式传感器一般用于接触测量，可用于静态和动态测量，它主要用于位移测量。如图6-14所示为一个测量尺寸用的轴向自感式传感器（螺管式差动自感传感器）

352．变隙式差动电感压力传感器变隙式差动电感压力传感器主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成，如图6-15所示。

363．电感式圆度计轴类工件加工结束后，利用电感式传感器可以实现对其圆度的测量。如图6-16所示4．加速度传感器图6-17为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。

376.2电涡流式传感器6.2.1电涡流式传感器的结构与工作原理形成电涡流必须具备下列二个条件：①存在交变磁场；②导电体处于交变磁场之中。所以，电涡流式传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近因而处于交变磁场中的金属导体两部分组成。

381．电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的原理如图6-18所示

392．电涡流传感器的结构类型2）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器由于采用低频激励，因而能得到较大的贯穿深度，因此适用于测量金属材料的厚度，其原理如图6-20所示。1）高频反射式涡流传感器高频反射式传感器的结构简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架的端部的槽内，如图6-19所示。

406.2.2电涡流式传感器的测量线路1．电桥法电桥法又称为阻抗测试法，主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。它将传感器线圈的阻抗变化转变为电压的变化。其原理如图6-21所示，图中线圈A和B为传感器线圈，它们的阻抗作为电桥的桥臂，在起始状态时，使电桥平衡。进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就得到与被测量成正比的输出。

412．谐振法谐振法是把传感器线圈的等效电感与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为在回路谐振时，其等效阻抗最大，式中，R——回路的等效损耗电阻当电涡流线圈与被测体的距离发生改变时，电感L会随之发生变化，回路的等效阻抗和谐振频率都将随着L的变化而变化。由此可利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的测量值，目前，谐振法主要有调幅法和调频法两种基本测量线路。一般来说，需要稳定性好时，可选用调幅式测量电路，若考虑便于遥测和数字显示时，则选择调频式测量电路。

421）调幅式测量电路由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的调幅法的测量原理如图6-22所示。传感器线圈L和电容C组成并联谐振回路，由频率和幅值稳定的振荡器（如石英振荡器）提供高频激磁信号。

432）调频式测量电路调频式测量电路的工作原理则是被测量变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率发生变化。图6-24是调频式测量电路的原理与电路图，传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压，输出值的变化间接反映了被测量的变化。

446.2.3常见的电涡流传感器1、涡流流量传感器涡流流量传感器可用于焦炭煤气、城市煤气、工业用水、饱和蒸汽的检测和控制，其特性参数见表6-8所示。

452、高频涡流差动变压器式传感器高频涡流差动变压器式传感器的工作原理如图6-25所示。因高频（200~500kHz）励磁的差动变压器铝芯上产生涡流损耗，故铝芯的位置与输出电压有一定的比例关系，若将待检测物体的位置变化转换为铝芯的位置即可得到对应的电压变化，这样就能得到待检测物的位移量。其特性参数见表6-9所示。

466.2.4电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用大致有四个方面：①利用位移χ作为变换量，也可以做成位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；②利用材料电阻率ρ作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等感器；③利用导磁率μ作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；④利用变换量χ、ρ、μ等的综合影响，可以做成探伤装置等。下面介绍几种电涡流传感器的具体的应用实例。

471．电涡流式振动计电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数。在汽轮机、空气压缩机中常用电涡流式传感器来监控主轴的径向、轴向振动，也可以测量发动机涡流叶片的振幅。在研究机器振动时，常常采用多个传感器放置在机器不同部分进行检测，得到各个位置的振幅值和相位值，从而画出振型图，测量方法如图6-26所示。

482．高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器的工作原理如图6-27所示。

493．电涡流式无损探伤仪电涡流式无损探伤仪可对被测对象进行非破坏性探伤，例如检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及焊接部位的探伤等。在检查时，使传感器与被测体的距离不变，如有裂纹出现，导体的电阻率、磁导率将发生变化，从而引起传感器的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤的目的。测试信号如图6-28所示。

504、电涡流传感器测位移这种电涡流传感器可用于测量位移，它可以测量金属零件的动态位移，量程可以为0~15(分辨率为0.05)，或0~500mm（分辨率为0.1%）。凡是可以变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量，如汽轮机主轴的轴向传动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。此外，电涡流传感器还可以制成开关量输出的检测元件，这时可使测量电路大为简化。目前比较广泛使用的有接近开关，可用于金属零件的计数。

51本章小结本章主要介绍了利用自感原理的自感式传感器(通常称为电感式传感器)，利用互感原理的互感式传感器(通常称为差动变压器式传感器)，利用涡流原理的电涡流式传感器。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、变面积式和螺管式这三种。自感式电感传感器的各种测量电路的工作原理，测量电桥引入相敏整流电路后，输出特性曲线通过零点，输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。以螺线管式差动变压器为例，详细介绍了差动变压器的结构、工作原理、等效电路。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路。与自感传感器相似，差动变压器也存在零点残余电压问题，本章详细介绍了零点残余电压的定义、不良影响及消除的方法。

52电涡流式电感传感器的结构和工作原理，根据电涡流在导体的贯穿情况，通常把电涡流传感器按激励频率的高低分为高频反射式和低频透射式两大类，本章详细分析了高频反射式和低频透射式电涡流传感器的工作原理，介绍了电涡流式传感器的电桥电路、谐振电路等测量电路。