传感器技术 第5章 变磁阻式传感器.ppt

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1、第5章 变磁阻式传感器,5.1 电感式传感器5.2 差动式电感传感器5.3 差动变压器式传感器 5.4 电动式传感器,5.1 电感式传感器,电感式传感器的结构原理图如图5.1所示。它由线圈1、铁芯2和衔铁3三部分组成,在铁芯和衔铁之间留有空气隙。被测物与衔铁相连,当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化,改变磁路的磁阻,使线圈电感量变化。电感量的变化通过测量电路转换为电压、电流或频率的变化,从而实现对被测物位移的检测。当线圈的匝数为N,流过线圈的电流为I（A）,磁路磁通为(Wb),则电感量,图 5.1,根据磁路定理,（5.1）,(5.2）,式中,R1、R2和R分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。,(5

2、.3),式中,l1、l2和分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m),S1、S2和S分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2),1、2和0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率(H/m)。0=410-7 H/m。将(5.2)、(5.3)式代入(5.1)式,考虑到一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍),即有,得,（5.4）,由上式可见,线圈匝数确定之后,只要气隙长度和气隙截面S二者之一发生变化,传感器的电感量就会发生变化。因此,有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分,前者常用来测量线位移,后者常用于测量角位移。下面以变气隙长度传感器为例来说明这种传感器的特性。将(5.4)式微分得到,（

3、5.5）,可见,测得L即可得知衔铁(即待测物)位移的大小。L可通过电桥测得,亦可将L作为振荡线圈的一部分,通过振荡频率的改变测得L。图5.1所示为一种简单的测量方法。其中,传感器的线圈与交流电表串联,用频率和幅值一定的交流电压U作电源。当衔铁移动时,传感器的电感变化,引起电路中电流改变,从而得知衔铁位移的大小。因为,由于电感的改变引起的电流改变,将(5.4)式和(5.5)式代入上式得,可见,测量电路中电流的改变与气隙的大小成正比。上式是在忽略了铁心磁阻、电感线圈的铜电阻、电感线圈的寄生电容以及铁损电阻的情况下得到的,实际表示式比较复杂。电感式位移传感器的结构简单,测量电路简便易行,然而它存在欠

4、缺,不宜作精密测量。首先,(5.5)式只有在很微小时才成立。由(5.4)式知,L与是成反比的非线性关系,下面对这种非线性关系作进一步说明。设衔铁处于起始位置时,传感器的初始气隙为0。由(5.4)式,初始电感为,当衔铁向上移动时,传感器的气隙长度将减少,即为=0-,这时的电感量为,电感的变化为,相对变化量为,当 时,可将上式展开成级数,（5.6）,同理,如衔铁向下移动时,传感器气隙将增大,即为=0+,电感量的变化量为,相对变化量为,由(5.6)式和(5.7)式可以看出,当忽略高次项时,L才与成比例关系。当然,/0 越小,高次项迅速减小,非线性可得到改善。然而,这又会使传感器的量程变小。所以,对输

5、出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的,一般对变气隙长度的传感器,取/0=0.10.2。,5.2 差动式电感传感器,两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器,如图5.2(a)所示。图5.2(b)为其电路接线图。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂,另外两个桥臂由电阻组成。还有一种螺管形结构的差动电感传感器,工作原理与此相同。,图 5.2 差动式电感传感器(a)结构原理图；(b)电路接线图,在起始位置时,衔铁处于中间位置,两边的气隙相等,两只线圈的电感量相等,电桥处于平衡状态,电桥的输出电压Usc=0。当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时,两边气隙不等,两

6、只电感线圈的电感量一增一减,电桥失去平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例,其相位则与衔铁移动方向有关。假定向上移动时输出电压的相位为正,而向下移动时相位将反向180为负。因此,如果测量出电压的大小和相位,就能决定衔铁位移量的大小和方向。,由图5.2知,假定电桥输出端的负载为无穷大,则得输出电压,由于两线圈结构完全对称,由(5.4)式知在平衡位置时,式中,R0为线圈的铜电阻。,当某一时刻,设衔铁向上位移,则上下两边气隙不等,阻抗也随之改变,上边增加了1=jL1,下边减少了2=jL2,则Z1=Z0+Z1,Z2=Z0-Z2。电桥的另两臂是相同的电阻,即Z3=Z4=R,代入上式则得,由

7、于Z1-Z2比Z0小得多,故可略去,则得,(5.8),可见,电桥的输出与(L1+L2)成比例。由(5.6)、(5.7)式可得,(5.9),可见,也存在一定的非线性,但其中不存在偶次项,这说明差动电感传感器比一般电感传感器非线性小得多。,略去(5.9)式三次以上的高次项,代入(5.8)式得,(5.10),式中,Q=L0/R0为电感传感器的品质因数。由上式可知,电桥输出电压中包含两个分量,一个是与电源电压同相的分量,另一个是与电源电压相位差90的正交分量。输出电压的正交分量与Q有关,Q增大,正交分量便随之减小。对于高Q值的传感器,上式可简化为,式中,K称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵敏度。K的物

8、理意义是,衔铁单位移动量引起的电桥输出电压。K值越大,灵敏度就越高。由K=Usr/20可知,K值与电桥的电源电压和初始气隙有关,提高电桥的电压,减小起始气隙,就可以提高灵敏度。上式还说明,电桥的输出电压与衔铁位移量成正比,其相位则与衔铁移动方向有关。若设衔铁向下移动为正,Usc为正,则衔铁向上移动为负,Usc为负,即相位反向180。,5.3 差动变压器式传感器,差动变压器式传感器,简称差动变压器（Liner Variable Differential Transformer 简称LVDT）,如图5.3所示。它是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。传感器的可动铁芯和待测物相连,两个次级线圈接成

9、差动形式,可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化,从而得到待测位移。,图 5.3 差动变压器式传感器,由于互感,初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22。又因接成差动形式,即两个感应电动势反向串联,则输出电压 设两个次级线圈完全相同,当铁芯处在中间位置时,感应电动势E21=E22,此时 Usc=E21-E22=0,当铁芯向上移动时,次级线圈2中穿过的磁通减少,感应电动势E22也减少,而次级线圈1中穿过的磁通增多,感应电动势E21也增大,则 Usc=E21-E220 反之,当铁芯向下移动时,则 Usc=E21-E220 可见,输出电压的大小和符号反映了铁芯位

10、移的大小和方向。,差动变压器有多种结构形式。图5.3(a)的形结构,衔铁为平板形,灵敏度较高,但测量范围较窄,一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。图5.3(b)是衔铁为圆柱形的螺管形差动变压器,可测一毫米至上百毫米的位移。此外还有衔铁旋转的用来测量转角的差动变压器,通常可测到几角秒的微小角位移。,形差动变压器的输出特性 图5.3(a)所示的形差动变压器,当不考虑铁损、漏感且忽略铁芯和衔铁的磁阻,在次级线圈开路时有,式中,1 和2分别为次级线圈1和2的磁通匝链数,则,式中,N2为两次级线圈匝数。,现在来求,当初级线圈激励电压为Usr时,次级线圈的磁通1和2。根据磁路定理,可画出传感器磁路图如

11、图5.4所示。由磁路可求出,图 5.4 传感器磁路图,设衔铁向上移动了,则,式中除I1外均为已知,为此,需要求出初级线圈中的激磁电流I1。当次级线圈中无电流时(负载为无穷大),式中,Z11=R11+jL11,Z12=R12+jL12。R11、R12，L11、L12，Z11、Z12分别表示上下初级线圈的铜电阻,电感和复阻抗,其中,代入前式,得,该式中含有2项,这是引起非线性的因素。,如果忽略2项,并设R11=R12=R1,上式可改写为,把,代入上式,整理后得,式中,Q=L0/R,为品质因数。,由上式可知,输出电压中包含与电源电压Usr同相的基波分量和相位差90的正交分量。这两个分量都同气隙的相对

12、变化量/0有关。Q值提高,正交分量将减小。因此,希望差动变压器具有高的Q值。Q值很高时,R1L0,上式可简化成,上式表明,输出电压Usc与衔铁位移之间是成比例的,其输出特性曲线如图5.5所示。由图可见,单一线圈的感应电动势E21或E22与铁芯的位移不成线性,两个线圈差接以后,输出电压就与铁芯的位移成线性关系了。上式中负号的意义是,当向上为正时,输出电压Usc与电源电压Usr反相,当向下为负时,两者同相。,图 5.5 输出特性曲线,由差动变压器的灵敏度表达式,可知,传感器的灵敏度将随电源电压Usr和变压比N2/N1的增大而提高,随起始间隙增大而降低。一般情况下取N2/N1=12,太大时,次级线圈

13、的输出阻抗过高,易受外部干扰的影响。必须注意,位移量要限制在一定范围内,0一般在0.5 mm左右。0过大,灵敏度要降低,而且边缘磁通将增大到不能忽略的程度,从而使非线性增大。在实际输出特性中,当0=0时,还存在着零位电压U0。,5.3.2 螺管形差动变压器 下面以如图5.3(b)所示的中间是初级线圈,两边是对称的两个次级线圈为例(称为三段型螺线管差动变压器),来讨论差动变压器的输出特性。对符号规定为:b初级线圈的长度,N1初级线圈的匝数,m次级线圈的长度,N2每个次级线圈的匝数,L活动衔铁的长度,ri螺线管的内径,r0螺线管的外径,L21衔铁伸入次级线圈1的长度,L22衔铁伸入次级线圈2的长度

14、。,根据法拉第电磁感应定律,次级线圈1和2感应电动势为,式中,N21和N22分别为磁通穿过次级线圈1和2的匝数。1、2和1、2分别为穿过次级线圈1和2的磁通和磁通匝连数。由图5.6知,磁通穿过次级线圈1的匝数,图 5.6 磁通穿过次级线圈1的匝数,同理,根据磁路定理,磁路的磁通,式中,RX、RY、R21和R22分别为铁芯、衔铁棒、衔铁伸入次级线圈1和衔铁伸入次级线圈2的磁阻,因为 RX+RYR21+R22,所以,图 5.7 计算磁阻的微分元,R21和R22为同心圆环的磁阻,可由积分求得。图5.7所示微分元的磁阻为,则总磁阻,代入上式得,因为磁路串联,所以1=2=,则,输出电压,设某一时刻衔铁向

15、上移动,则,则得,可见,差动变压器的灵敏度与激励频率成正比,通常在中频(400 Hz10kHz)应用,其电压灵敏度可达0.15V/mm。由于灵敏度高,在测量大位移时可不用放大器,因此测量线路简单。差动变压器的非线性决定于最后一项,一般测9mm的差动变压器,线性范围约(56)mm。活动衔铁的直径在允许的条件下尽可能粗些,这样有效磁通较大。在不影响线性度的情况下,初级线圈的输入电压(电流)尽可能高些。,当铁芯处于线圈中心时,次级线圈的输出电压应为零。但是由于实际结构不完全对称,激磁电流与铁芯磁通的相位差不为零以及寄生电容的综合影响等,使得输出电压不为零,此值称为零点电压。通常为几mV到几十mV,它

16、决定传感器的精度。为了消除零点电压值,通常在测量电路中采取补偿措施。,差动变压器输出的交流信号,其波形是调幅波,无法鉴别被测位移的方向。为了观察衔铁的实际运动规律,可采用差动相敏整流电路。差动变压器除测量位移外,还可以用来测量振动、加速度及压力。差动变压器从供电方式可分为交流式和直流式两种。直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电,并将电子电路与差动变压器封装在一起,如图5.8所示。这种传感器,供给稳定的直流电,就能获得与位移成正比的直流电压输出。下面列出这种传感器的一种系列的主要技术指标供参考。,量程:5、10mm,5 mm、250 mm线性度:0.1%,0.2%,0.3%,0.5%供

17、电电压:12 V15 V输出方式:A.标准电流型 010 mA或 010 mA B.标准电压型 05 V 或 05 V环境温度:1065结构型式:回弹式、非回弹式,图 5.8 直流式差动变压器,5.4 电动式传感器,电动式传感器亦称动圈式传感器,可用于监测位移、压力等物理量。其结构如图5.9所示。图中,1振动膜,2可动线圈,3磁铁,4外壳。这种传感器可看成由两部分组成,一是产生磁场的磁路部分,二是由振动膜和线圈构成的机械振动系统部分。磁铁可以是永久磁铁，也可以用电磁铁,其作用是用来产生强恒定磁场B0。,图5.9 电动式传感器结构示意图,以是永久磁铁，也可以用电磁铁,其作用是用来产生强恒定磁场B0。当振动膜在外界位移或压力作用下振动时,可动线圈也随着振动,线圈切割磁力线,从而在线圈两端产生一感应电动势U,如果线圈接在电负载ZL上,则在电负载与线圈构成的回路中产生电流I。当膜片以振速振动时,根据法拉第电磁感应定律,在线圈两端产生一感应电动势为,式中，l为位于恒定磁场B0中线圈导线的长度。流过回路的电流为,当膜片作简谐振动时,