变磁阻式传感器

变磁阻式传感器一、变磁阻式传感器特点变磁阻式传感器是自感式传感器的一种，自感式传感器又属于电感式传感器类别。电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量，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，再由转换电路转换为电压或电流的变化量输出， 实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点：1、构造简洁、传感器无活动的电接触点，因此工作牢靠寿命长；2、灵敏度和区分率高，能测出 0.01m 的位移变化，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可到达数百毫伏的输出；3、线性度和重复性都比较好，在确定位移范围几十微米至数毫米内，传感器非线 性误差仅到达 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、显示和把握，他在工业自动把握系统中广泛被承受；但是它有频率响应较低、不宜快速动态测控等缺点。二、构造和工作原理变阻式传感器的构造和工作原理如图1 所示，它由线圈、铁芯和衔铁三局部组成。铁芯和衔铁都由导磁材料，如硅钢片和坡莫合金制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为d 。传感器的运动局部与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度d 发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，这样可以由此判别被测量的位移大小。线圈的电感值 L 可按如下电工学公式计算:1 / 8L= N2RM1式中 N线圈匝数；RM单位长度上的磁路总磁阻。图 1 是变磁阻式传感器根本构造图。磁路总磁阻可写成：图 1变磁阻式传感器根本构造图dR=R +R2MF式中RF 铁芯磁阻； Rd 空气气隙磁阻；d其中R和R可以分别由下式求出：FLLR =1+23Fm Am A1122R = 2d4Fm A0式3中，第一项为铁芯磁阻，其次项为衔铁磁阻；L 磁通通过铁芯的长度m；1A 铁芯横截面积m2；1m 铁芯材料的导磁率H/m；1L 磁通通过衔铁的长度m；2A衔铁横截面积m2；2m 衔铁材料的导磁率H/m；2A 气隙横截面积m2；m 空气的导磁率410.7 H/m。0d由于R R，常常无视R，因此，可得到线圈电感为：FFLN22d= m AN20d52m A0由式5可知，当线圈匝数确定后，转变d 和A 均可导致电感的变化，因此，变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度d 的传感器和变气隙面积 A 的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度d 的电感传感器。三、转换电路变磁阻是电感传感器是利用铁芯线圈中的自感随衔铁位移或空隙面积转变而变化的原理制成的，但实际上线圈不行能呈现为纯电感的，电感 L 还包含了线圈的铜损耗电阻R Rcc与串联，同时存在铁芯涡流损耗电阻Re Re 与 L 并联；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数 C 表示C 与 L 和Rc 、Re 相并联，因此，电感式传感器可用图 2 所示等效电路表示。它又可以用一个复阻抗来等效。由式5可知，当电感传感器线圈匝数和气隙面积确定时，电感量L 与气隙厚度成反比，可用图 3 表示。下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。四、输出特性图 2等效电路图 3电感传感器的 L-d 特性设电感传感器初始气隙为d，初始电感量为 L00，衔铁位移引起的气隙变化量为Dd ，从式(5)可知L 和d 之间是非线性关系。那么，初始电感量为：mL=0AN202d0当衔铁下移Dd 时，传感器气隙增大d = d + Dd ，则电感量却削减，设电感削减量为0DL ，那么：1m AN2mAN2mAN2 2d-DdDL = L - L =0-0=00-1 = L102(d0+ Dd)2d02d2(d00+ Dd)0 d + Dd0电感量的相对变化为：DL-Ddd1 -Dd 1L = d00+ Dd= d 1+ D d00当Dd d 很小时，可将上式开放成级数形式为：0DL -Dd Dd 2 Dd 31L =d00 + d0 - d0 +L6当衔铁上移Dd 时，气隙减小Dd ，即d = d - Dd ，电感量增大，则电感的增加量为：0DL = L - L20= LDd0 d - Dd0DLDdd1 Dd L 2 = d00- Dd= dd 1- D0 同样开放成级数为：DL Dd Dd 20 Dd 3L 2 = d + d + d +L700 0 0 无视掉二次项以上的高次项，则DL1与DL2和Dd 成线性关系。由此可见，高次项是造成非线性的主要缘由，且 DL1和DL2是不相等的。当Dd d0越小时，则高次项快速减小，非线性得到改善。这说明输出特性和测量范围之间存在冲突，所以，电感式传感器用于测量 微小位移量是比较准确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛承受差动式电感传感器。由式6和式7，无视二次以上项后，可得到传感器灵敏度为：DLDdLDd0dDd0Ld00S =8可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相冲突，因此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。因此常用差动自感传感器较好的解决上述冲突。五、差动自感传感器1、构造和工作原理变气隙电感传感器可以制作成各种样式如螺管式电感传感器等，但它们都存在严峻的非线性。为了减小非线性，可以让两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这 样可以构成差动式电感传感器，如差动骆管电感传感器、差动式E 形电感传感器等，如图4 所示。其构造特点是上、下两个磁铁的几何尺寸、材料、电气参数均完全全都。传感器的两只电感线圈接成沟通电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成，它们构成四臂沟通电桥，供桥电源为沟通电压UAC ，桥路输出为沟通电压U0 。图 4差动式电感传感器的构造原理初始状态时，衔铁位于中间位置，两边空隙相等。因此，两只电感线圈的电感量相等，数值极性相反，电桥输出U =0 ，即电桥处于平衡状态。当衔铁偏离中间位置，向上或向下0移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。假设向下移动，输出电压为正；而向上移动时，输出电压则为负。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位， 就可以确定衔铁位移的大小和方向。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。2、输出特性输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。非差动式电感传感器电感 量变化DL 和位移量变化Dd 呈非线性关系。当构成差动电感传感器，且接成电桥形式后， 电桥输出电压将与DL 有关，即：DL Dd Dd 3 Dd 50= L -L =2L + + +L 900式中：L2100 d d dm AN2mAN200L =12 d0L+Dd2，= 2 d0-DdL 为衔铁在中间位置时，单个线圈的电感量。式9中，不存在偶次项，明显，差动式电感传感器的非线性在Dd 工作范围内要比单个电感传感器小很多，由图可以说明这一点。图 5 还说明电桥的输出电压大小和衔铁的位移量Dd 有关，它的相位则与衔铁移动方向有关。假设设衔铁向上移动Dd 为负，则U0 为负；衔铁向下移动Dd 为正，则U0 为正，即相位相差 180。差动式电感传感器的灵敏度 S，由式9无视高次项后得到式10。图中1- L1 = f (d )， 2 - L2 = f (d )。图 5 是差动电感传感器输出特性图。图 5差动电感传感器的输出特性图2LS=0d0比较单线圈式和差动式，区分如下：10（1） 差动式间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。（2） 差动式的非线性无视 3 次以上高次项，单线圈的非线性项无视 2 次以上高次项；并且两者都有(Dd d ) 1 ，因此，差动式的线性度得到明显改善。03、调理电路电感传感器的测量电路有沟通电桥式、沟通变压器式和把传感器作为振荡桥路中一个组成元件的谐振式等几种。（1） 沟通电桥式调理电路图4 所示构造原理的等效电路如图6 所示，把传感器的两个线圈做电桥的两个桥臂Z 和1Z ，另外两个相邻的桥臂用纯电阻(Z= R, Z= R )代替。对于高Q 值， Q = w L R 的差234动式线圈传感器，其输出电压为：ggUg = UAC DZ1 = UACjwUg DLDL AC1102Z12R + jw2L00式中 L0衔铁在中间位置时，单个线圈的电感； R0为其损耗；DL 两线圈电感的变化量。图 6一般形式的沟通电桥图 7变压器式沟通电桥无视式9中的高次项后，DL = (2L Dd ) d ，代入式11后可得：U= UDd d ，0电桥输出电压与Dd 有关，相位与衔铁移动方向有关。（2） 变压器式沟通电桥0AC变压器式沟通电桥如图 7 所示。电桥两臂 Z 和 Z 为传感线圈阻抗，另外两臂为沟通变12压器次级线圈的1 2 阻抗，电桥A 点的电压应为：2Ug=ZAZ= UgC 点为正，D 点为负AC+ Z12gZg或U=A1= UZ + ZAC12D 点为正， C 点为负Ug。B 点电位为： Ug =ACB2当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：ggggZgg Z- ZgUU或者为：U= U0AC= U-UAB=2UZ + ZAC12- AC =AC2122Z + Z12UgUg =ACZ - Z121202Z + Z12当传感器的衔铁处于中间位置时，即 Z1 = Z2 = Z ，此时U0 = F 或 0，电桥平衡。当衔铁上移时，下面线圈阻抗减小，即 Z2 = Z - DZ ；而上面线圈的阻抗增加，即 Z1 = Z +DZ ， 于是由式12得ggUZ - ZUDZUjwDLggU=AC12 =AC=AC1302Z + Z122Z2R+jwL当衔铁下移同样大小的距离时， Z1= Z -DZ ， Z2= Z +DZ ，则输出电压为：ggUZ - ZUDZUjwDLggU=AC12 =-AC=-AC1402Z + Z122Z2R+jwL设线圈Q 值很高，省略损耗电阻，式和式可写为：ggUDLU= AC02L15从式15可知，衔铁上、下移动时，输出电压大小相等，但方向相反。由于 U是AC沟通电压，输出指示无法推断出位移方向，假设承受相敏检波器就可鉴别出输出电压的极性随位移方向变化而变化。谐振式测量电路灵敏度很高，但线性度差，适用于线性度要求不高的场合。