第03章-变磁阻式传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,3.1 磁路基础,一、磁动势,(magnetomotive force),磁路：,磁通线的密闭路径。,磁动势：,在磁路中产生磁场的源头称为。定义为,横截面,S,磁通,13.1 磁路基础一、磁动势 (magnetomotive,2,二、磁阻,(magnetic resistance),磁阻,是表示磁路对磁通所起的阻碍作用。,横截面,S,磁通,3.1 磁路基础,2二、磁阻(magnetic resistance)横截面S,3,三、磁通、磁阻、磁动势,1、磁通连续原理,2、环路定理：取环路,L,，有,3.1 磁路基础,3三、磁通、磁阻、磁动势3.1 磁路基础,4,四、磁阻的一般方程,3.1 磁路基础,4四、磁阻的一般方程3.1 磁路基础,5,五、带铁芯线圈（铁芯相对,磁导率,r,可达,10,2,10,4,）,自感：,磁链与回路电流的比值,L,与,l,成非线性关系,。,3.1 磁路基础,5五、带铁芯线圈（铁芯相对磁导率r可达102104 ）,6,变磁阻式传感器简介,变磁阻式传感器是将被测量转换成电感或互感变化的传感器。按其转换方式的不同，可分为,自感型,互感型,变磁阻式传感器,应用很广,测量,: 力、力矩、压力、位移、速度、振动等参数,动态特性,：静态测量或动态测量。,优点：,输出功率大（,1vA5vA），不经放大而直接指示和记录。,结构简单，工作可靠，可在工业频率下稳定工作。,6变磁阻式传感器简介,7,3.2,自感式传感器,一、工作原理与输出特性, 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。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三种,变气隙式,变面积式,螺管式,按磁路的结构型式又有,型、E型、罐,型等等；,按组成方式分，有,单一式,与,差动式,两种。,73.2 自感式传感器一、工作原理与输出特性,8,3.2,自感式传感器,1、变气隙式自感传感器,变气隙式自感传感器的结构原理见下图。由于气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的,非线性明显,灵敏度,l,小,灵敏度高,受工艺和结构限制，并保证一定的,测量范围与线性度，,常取,l,/20.10.5，,(1/51/10)。,83.2 自感式传感器1、变气隙式自感传感器,9,3.2,自感式传感器,2、变面积式自感传感器,l,不变，磁通截面积,S随被测非电量而变（衔铁水平方向移动）,灵敏度 为常数。,忽略气隙磁通边缘效应,输出特性为线性,大线性范围,。,灵敏度低于,变气隙式。,欲提高灵敏度，需减小,l,，,93.2 自感式传感器2、变面积式自感传感器,10,3.2,自感式传感器,3、,螺管式自感传感器,由平均半径为,r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。,103.2 自感式传感器3、螺管式自感传感器,11,3.2,自感式传感器,4、,差动式自感传感器,由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。,改善非线性、提高灵敏度外，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。,113.2 自感式传感器4、差动式自感传感器,12,3.2,自感式传感器,二、,测量电路,电桥电路,谐振电路,调频电路,相敏检波电路,123.2 自感式传感器二、测量电路,13,3.2,自感式传感器,1.电桥电路,自感式传感器常用的交流电桥有,2种：,（1）,输出端对称电桥,(a),为,一般形式,。,Z,1,、,Z,2,为传感器两线圈阻抗,。,(b)是(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。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,3.6 输出端对称电桥 ()一般形式；()变压器电桥,133.2 自感式传感器1.电桥电路 图3.6 输出端对称,14,（,2）电源端对称电,桥,变压器次级接地,避免静电感应干扰,，,开路时电桥本身存在,非线性,，只用于,示值范围较小场合,。,3.2,自感式传感器,图,3.7,电源端对称电桥,14（2）电源端对称电桥3.2 自感式传感器图3.7电源,15,3.2,自感式传感器,2.谐振电路,线圈电感量变化,谐振曲线移动。,若激励源的频率为f ,则其工作点在同一频率的直线上移动，例如A点移至B点，输出电压的幅值就发生相应变化。,特点：灵敏度高，非线性严重。,常与单线圈自感式传感器配合，,用于测量范围小或线性度要求不高的场合。,图,3.8,()谐振电路,()谐振曲线,153.2 自感式传感器2.谐振电路图3.8()谐振,16,3.2,自感式传感器,3.调频电路,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线性关系。,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。,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),163.2 自感式传感器3.调频电路 当,17,3.2,自感式传感器,4.相敏检波电路,能够判别电桥失衡的方向，,用于判别被测量正负方向。,例,：,Z,1,增大、,Z,2,减小,U0: U,C, U,o,0 U0: U,C, U,o,0,173.2 自感式传感器4.相敏检波电路,18,温度的影响,环境温度变化,=自感传感器的零点漂移、灵敏度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。,环境温度对自感传感器的影响主要通过：,(1)材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化；,(2)材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化；,(3)磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。,3.2,自感式传感器,18温度的影响3.2 自感式传感器,19,3.3,互感式传感器,互感式传感器（,Liner Variable Differential Transformer ）,简称LVDT,是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。,初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为,差动变压器,。,193.3 互感式传感器互感式传感器（Liner Vari,20,3.3,互感式传感器,一、互感式传感器的基本原理,在忽略线圈寄生电容与铁心损耗的情况下，差动变压器的等效电路如图所示。,U，I,初级线圈激励电压与电流,(频率为)；,L,21,，,L,22,和,R,21,，,R,22,分别为两个次级线圈的电感和电阻,M,1,，,M,2,分别为初级与次级线圈,1，2间的互感；,L,1,，,R,1,初级线圈电感与电阻。,开路输出电压为两次级线圈,感应电势之差,203.3 互感式传感器一、互感式传感器的基本原理,21,3.3,互感式传感器,二、差动变压器的类型,有,变气隙式、变面积式、螺管式,三种类型,。,213.3 互感式传感器二、差动变压器的类型,22,3.3,互感式传感器,三、传感特性,型差动变压器的输出特性为：,为初始气隙；W,1,为初级线圈匝数；,W,2,为次级线圈匝数；,为衔铁上移量,。,输出电压,U,0,与衔铁位移,成比例,，,线性,。,灵敏度随,电源电压,U,和,变压比,W,2,W,1,的增大而提高，,随初始气隙减小而增大。,223.3 互感式传感器三、传感特性,23,哪个是自感式，哪个是互感式？,灵敏度有何特点？,线性度有何特点？,23哪个是自感式，哪个是互感式？灵敏度有何特点？,24,电感式传感器的应用,电感式传感器主要用于测量位移与尺寸，也可测量能转换成位移变化的其他参数，如力、张力、压力、压差、振动、应变、转矩、流量、比重等。,位移与尺寸测量,压力测量,力和力矩测量,振动测量,24电感式传感器的应用,25,25,26,3.3 电涡流式,传感器,电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行,非接触测量,，适用范围广，它一问世就受到各国的重视。目前，这种传感器已广泛用来测量,位移 振动 厚度,转速 温度 硬度,还用于无损探伤领域。,263.3 电涡流式传感器电涡流式传感器是利用电涡流效应进,27,3.3 电涡流式,传感器,一,.工作原理,有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场,H,1,。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场,H,2,，,H,2,与,H,1,方向相反，力图削弱原磁场,H,1,从而导致线圈的,电感、阻抗和品质因数,发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。,273.3 电涡流式传感器一.工作原理,28,二,.测量电路,根据电涡流式传感器的工作原理，其测量电路有三种：,谐振电路,电桥电路,Q值测试电路,这里主要介绍,谐振电路,。目前有三种类型：,定频调幅式,变频调幅式,调频式。,3.3 电涡流式,传感器,28二.测量电路 3.3 电涡流式传感器,29,3.3 电涡流式,传感器,1.定频调幅电路,L为传感器线圈电感，与电容C组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。,在无被测导体时,，,LC并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大。,当传感器接近被测导体时，,损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。,这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙,(位移)成近似线性关系。由于输出电压的频率f,0,始终恒定，因此称定频调幅式。,图,3.27,定频调幅电路框图,293.3 电涡流式传感器1.定频调幅电路图3.27定频,30,2.变频调幅电路,定频调幅,电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，,线性范围也不够宽,。,因此，人们又研究了一种,变频调幅,电路，这种电路的基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的,幅度,和,频率,都发生变化,。,除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点,。,定频调幅,变频调幅,302.变频调幅电路定频调幅变频调幅,31,3.3 电涡流式,传感器,3.调频电路,调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路，所不同的是，以振荡,频率的变化,作为输出信号。,如欲以电压作为输出信号，则应后接鉴频器。,这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。,313.3 电涡流式传感器3.调频电路,32,三,.电涡流式传感器的应用,1.测位移,3.3 电涡流式,传感器,液位监控系统,32三.电涡流式传感器的应用 3.3 电涡流式传感器液位监,33,3.3 电涡流式,传感器,2.测厚度,板厚dD（,x,+,x,2,）。,工作时，两个传感器分别测得,x,1,和,x,2,。,测金属板厚度示意图,333.3 电涡流式传感器2.测厚度测金属板厚度示意图,34,3.3 电涡流式,传感器,3.测温度,在较小的温度范围内，导体的电阻率与温度的关系为,(3-42),式中,1,、,0,分别为温度,t,1,与,t,0,时的电阻率；,a,在给定温度范围内的电阻温度系数。,若保持电涡流式传感器的,机、电、磁各参数,不变,，使传感器的输出只随被测,导体电阻率,而变,，就可测得温度的变化。上述原理可,用来测量液体、气体介质温度或金属材料,的表面温度，适合于低温到常温的测量。,1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件,343.3 电涡流式传感器3.测温度1-补偿线圈；2-管,35,感应式接近开关,Inductive,Proximity sensors,35,36,A coil on a ferrite core,An oscillator,A trigger-signal level detector,An output circuit.,Structure,36A coil on a ferrite coreStru,37,Generating an electromagnetic field.,Metal object advances into the field, eddy currents induced.,Loss of energy and a smaller amplitude of oscillation,The detector circuit then recognizes a specific change in amplitude and generates a signal which will turn the solid-state output “ON” or “OFF”,Operation,37Generating an electromagneti,38,Application -,Positioning,38Application - Positioning,39,Application -,Positioning,39Application - Positioning,40,40,41,41,42,3.5,压磁式传感器,一压磁效应,1、,磁致伸缩效应,铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短的现象。,2、,磁致伸缩系数,材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称,磁致伸缩系数,，用,s,表示，即,式中,伸缩比。,3、物理机制,铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。,423.5 压磁式传感器一压磁效应,43,3.5,压磁式传感器,4、压磁材料,正磁致伸缩,：,在一定的磁场范围内，一些材料,(如Fe)的,s,为正值,。,负磁致伸缩,：,s,为负值,。,5、,磁弹性能,铁磁物体被磁化时如果受到限制而不能伸缩，内部会产生应力,。,内部应力,必然存在磁弹性能,E,。,E,与,s,成正比，且同磁化方向与应力方向之间的夹角有关。,由于,E,的存在，将使铁磁材料的磁化方向发生变化。,433.5 压磁式传感器4、压磁材料,44,3.5,压磁式传感器,6、应力状态下内部磁场的变化,正磁致伸缩材料,拉应力,使磁化方向转向拉应力方向。,加强拉应力方向的磁化，使拉应力方向的磁导率增大。,压应力,使磁化方向转向垂直于压应力的方向,。,削弱压应力方向的磁化，使压应力方向的磁导率减小。,443.5 压磁式传感器6、应力状态下内部磁场的变化,45,3.5,压磁式传感器,7、磁弹性效应（压磁效应,）,被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能，使磁化强度矢量重新取向从而改变应力方向的磁导率的现象。,铁磁材料的相对导磁率变化与应力,之间的关系为,式中,铁磁材料的磁导率；,B,S,饱和磁感应强度。,从式,(3-44)可知，用于磁弹性式传感器的铁磁材料要求能承受,大的应力,、,磁导率高,、,饱和磁感应强度小,。,常用的材料是,硅钢片,与,铁镍软磁合金,，由于后者价贵且性能不够稳定，目前大都采用硅钢片。,453.5 压磁式传感器7、磁弹性效应（压磁效应 ）,46,3.5,压磁式传感器,二压磁式传感器的工作原理,压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。,硅钢片上有四个对称的孔，,1、2的连线与3、4,的,相垂,直。,孔,1、2间绕有激磁绕组,W,12,，孔,3、4间绕有测量绕组,W,34,。,外力,F与绕组,W,12,、,W,34,所在平面成,45角。,图,3.33,压磁式测力传感器的工作原理,463.5 压磁式传感器二压磁式传感器的工作原理 图3,47,3.5,压磁式传感器,图,3.33,压磁式测力传感器的工作原理,无外力作用时,A、B、C、D四部分的磁导率相同，磁力线呈对称分布，磁场强度H平行于测量绕组,W,34,的平面。,导磁体沿,H方向磁化，磁通密度B与H取向相同。,测量绕组,W,34,无磁通通过，故不产生感应电势。,473.5 压磁式传感器图3.33压磁式测力传感器的工作,48,3.5,压磁式传感器,图,3.33,压磁式测力传感器的工作原理,对压磁元件施加压力,F,A、B区域有压应力，C、D区域近似自由状态。,对于正磁致伸缩材料，压应力,使其磁化方向转向垂直于压力的方向。,垂直方向,下降，磁阻增大,；水平,方向,上升，磁阻减小。,磁通密度B偏向水平方向，与,W,34,交链，产生感应电势,e。经变换后，即能用电流或电压来表示被测力F的大小。,483.5 压磁式传感器图3.33压磁式测力传感器的工作,49,3.5,压磁式传感器,三,.,压磁式测力传感器的结构,压磁元件,弹性体：,保证压磁元件受力点不变。,传力元件：,保证被测力集中作用于传感器,图,压磁式测力传感器的结构,493.5 压磁式传感器三.压磁式测力传感器的结构 图,50,3.5,压磁式传感器,四、测量电路,压磁式传感器的输出信号较大，一般不需要放大。,测量电路组成：激磁电源、滤波电路、相敏整流。,五、温度补偿,铁磁材料的磁化特性随温度而变，需要温度补偿。常用,差动回路,。,图,压磁式传感器的电路原理框图,503.5 压磁式传感器四、测量电路图 压磁式传感器的电,51,3.5,压磁式传感器,六、应用,常用于汽车工业和机械制造业中力、转矩和压力的测量。,513.5 压磁式传感器六、应用,