第3章 变磁阻式传感器 3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器 3.1.1 3.1.1 基本自感式传感器基本自感式传感器 1.1.工作原理工作原理 基基本本变变间间隙隙自自感感式式传传感感器器由由线线圈圈、铁铁芯芯和和衔衔铁组成，结构如图铁组成，结构如图3.13.1所示。所示。 电电感感式式传传感感器器又又可可分分为为变变气气隙隙长长度度的的传传感感器器和和变变气气隙隙面面积积的的传传感感器器。前前者者常常用用于于测测量量直直线线位位移，后者常用于测量角位移。移，后者常用于测量角位移。 2 2灵敏度灵敏度 变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较准确的。为了减小非线性误差，实际测量中比较准确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。灵敏度广泛采用差动变间隙式电感传感器。灵敏度K为为图3.1 变间隙自感式传感器 第3章 变磁阻式传感器 3.1.2 3.1.2 差动变间隙式传感器差动变间隙式传感器 差差动动变变间间隙隙式式电电感感传传感感器器采采用用两两个个相相同同的的传传感感器器共共用用一一个个衔衔铁铁组组成成。电电感感相相对对变变化化量量的的灵敏度灵敏度K为为 单单线线圈圈式式和和差差动动式式两两种种变变间间隙隙式式电电感感传传感感器的特性比较：器的特性比较： 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；差动式比单线圈式的灵敏度高一倍； 差差动动式式的的非非线线性性项项等等于于单单线线圈圈非非线线性性项项乘乘以以因因子子，因因为为，所所以以，差差动动式式的的线线性性度度得得到到明显改善。明显改善。3.1.3 3.1.3 螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器 螺螺管管型型电电感感传传感感器器的的衔衔铁铁随随被被测测对对象象移移动动，线线圈圈磁磁力力线线路路径径上上的的磁磁阻阻发发生生变变化化，线线圈圈电电感感量量也也因因此此而而变变化化，线线圈圈电电感感量量的的大大小小与与衔衔铁位置有关。铁位置有关。图3.3 螺管型电感式传感器 图3.2 差动变间隙式电感传感器 第3章 变磁阻式传感器 3.1.4 3.1.4 测量电路测量电路 1 1电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。 K 称称为为差差动动电电感感传传感感器器连连成成四四臂臂电电桥桥的的灵灵敏敏度度。K的的物物理理意意义义是是：衔衔铁铁单单位位移移动动量量引引起起的电桥输出电压的电桥输出电压。K值越大，灵敏度越高。值越大，灵敏度越高。 2 2交流变压器式电桥交流变压器式电桥 衔铁上移时，衔铁上移时， 衔铁下移时，衔铁下移时， 由由于于输输出出Uo o是是交交流流电电压压，输输出出指指示示无无法法判判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。 图3.4 电阻平衡臂电桥电路 图3.5 变压器式交流电桥测量电路第3章 变磁阻式传感器 3 3调幅电路调幅电路 当传感器线圈电当传感器线圈电量变化时，谐振曲线量变化时，谐振曲线将左右移动，工作点将左右移动，工作点就在同一频率的纵坐就在同一频率的纵坐标直线上移动（如移标直线上移动（如移至至B点），于是输出点），于是输出电压的幅值就发生相电压的幅值就发生相应的变化。应的变化。 4 4调频电路调频电路 调频电路的基本调频电路的基本原理是传感器电感原理是传感器电感L变化将引起输出电压变化将引起输出电压频率的变化。频率的变化。 图3.7 调频电路 图3.6 谐振电路 第3章 变磁阻式传感器 3.2 3.2 变压器式传感器变压器式传感器 3.2.1 3.2.1 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器 螺线管式差动变压器由一个初级线圈、螺线管式差动变压器由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。等组成。 等等效效电电路路如如图图3.9所所示示，其其中中U1、I1为为初初级级线线圈圈激激励励电电压压与与电电流流（频频率率为为w w ）；L1、R1为为初初级级线线圈圈电电感感与与电电阻阻；M1、M2分分别别为为初初级级线线圈圈与与次次级级线线圈圈1、2间间的的互互感感；L21、L22和和R21、R22分分别别为为两两个个次次级级线线圈圈的的电电感感和和电电阻。阻。 在负载开路情况下，输出电压为在负载开路情况下，输出电压为 由于在一定的范围内，互感的变化由于在一定的范围内，互感的变化D D M与位移与位移x成正比，所以的变化与位移的变化成正比，所以的变化与位移的变化成正比成正比。 图3.8 螺线管式差动变压器 图3.9 等效电路第3章 变磁阻式传感器 实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电零点残余电压压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。特性曲线如图理论特性不完全一致。特性曲线如图3.103.10所示。所示。 图3.10 零点残余电动势 零点残余电动势使得传感器零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为测量带来误差。 为了减小零点残余电动势，为了减小零点残余电动势，可采用以下方法：可采用以下方法： 尽可能保证传感器尺寸、尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。线圈电气参数和磁路对称。 选用合适的测量电路。选用合适的测量电路。 采用补偿线路减小零点残采用补偿线路减小零点残余电动势。余电动势。第3章 变磁阻式传感器 3.2.2 3.2.2 变间隙式差动变压器传感器变间隙式差动变压器传感器 由由差差动动变变压压器器的的特特性性可可知知，差差动动变变压压器器的的输输出出与与初初级级线线圈圈对对两两个个次次级级线线圈圈的的互互感感之之差差有有关关。结结构构形形式式不不同同，互互感感的的计计算算方方法法就就有有所所不不同。同。P P型差动变压器的输出特性为型差动变压器的输出特性为 输输出出电电压压Uo o与与衔衔铁铁位位移移D Dd d 成成比比例例。式式中中负负号号表表明明D Dd d 向向上上为为正正时时，输输出出电电压压与与电电源源电电压反相；压反相；D Dd d 向下为负时，两者同相。向下为负时，两者同相。 P P型差动变压器的灵敏度表达式为型差动变压器的灵敏度表达式为图3.11 变间隙式第3章 变磁阻式传感器 3.2.3 3.2.3 测量电路测量电路 1 1差动整流电路差动整流电路 图图3.123.12所所示示为为典典型型的的差差动动全全波波整整流流电电压压输输出出电电路路。这这种种电电路路把把差差动动变变压压器器的的两两个个次次级级输输出出电电压压分分别别全全波波整整流流，然然后后将将整整流流电电压压的的差差值值作作为为输输出出，电电阻阻R R0 0用用于于调调整整零零点点残残余余电压。电压。 图图3.133.13所所示示为为差差动动全全波波整整流流电电压压输输出出波波形形。 图3.12 差动整流电路图图3.13 差动整流波形第3章 变磁阻式传感器 2 2相敏检波电路相敏检波电路 u0处处于于正正半半周周时时，VDVD2 2、VDVD3 3导导通通，VDVD1 1、VDVD4 4截截止止，形形成成两两条条电电流流通路，通路，等效电路如图等效电路如图3.15所示。所示。电流通路电流通路1 1为为 C CVDVD2 2B B R RL L 电流通路电流通路2 2为为 R RL L B BVDVD3 3D D图3.14 二极管相敏检波电路 第3章 变磁阻式传感器 当当u2与与u0同同处处于于负负半半周周时时，VDVD1 1、VDVD4 4导导通通，VDVD2 2、VDVD3 3截截止止，同同样样有有两两条条电流通路，等效电路如图电流通路，等效电路如图3.163.16所示。电流通路所示。电流通路1 1为为 R RL L ARVD ARVD1 1CC 电流通路电流通路2 2为为DRVDDRVD4 4A RA RL L 传感器衔铁上移传感器衔铁上移 传感器衔铁下移传感器衔铁下移 图3.15 等效电路 图3.16 等效电路 第3章 变磁阻式传感器 3.3.1 3.3.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理 金金属属导导体体被被置置于于变变化化着着的的磁磁场场中中，或或在在磁磁场场中中运运动动，导导体体内内就就会会产产生生感感应应电电流流，该该感感应应电电流流被被称称为为电电涡涡流流或或涡涡流流，这这种种现现象象被被称为称为涡流效应涡流效应。 一一般般地地，线线圈圈电电感感量量的的变变化化与与导导体体的的电电导导率率、磁磁导导率率、几几何何形形状状，线线圈圈的的几几何何参参数数、激激励励电电流流频频率率，以以及及线线圈圈与与被被测测导导体体之之间间的的距距离离有有关关。如如果果控控制制上上述述参参数数中中的的一一个个参参数数改改变变，而而其其余余参参数数恒恒定定不不变变，则则电电感感量量就就成成为为此此参参数数的的单单值值函函数数。如如只只改改变变线线圈圈与与金金属属导导体体间间的的距距离离，则则电电感感量量的的变变化化即即可可反反映映出出这二者之间的距离大小变化。这二者之间的距离大小变化。 3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器 图3.17 电涡流传感器的工作原理图第3章 变磁阻式传感器 3.3.2 3.3.2 电涡流传感器种类电涡流传感器种类 1 1高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。进行测量的。 2 2低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 由于金属板中产生涡流的大小与金属板的厚度由于金属板中产生涡流的大小与金属板的厚度有关，金属板越厚，则板内产生的涡流越大，削弱有关，金属板越厚，则板内产生的涡流越大，削弱的磁力线越多，接收线圈中产生的电势也越小。因的磁力线越多，接收线圈中产生的电势也越小。因此，可根据接收线圈输出电压的大小，确定金属板此，可根据接收线圈输出电压的大小，确定金属板的厚度。的厚度。 图3.18 高频反射式电涡流传感器图3.19 低频透射式电涡流传感器 第3章 变磁阻式传感器 3.3.3 3.3.3 测量电路测量电路 1 1载波频率改变的调幅调频式载波频率改变的调幅调频式 测量电路由测量电路由3 3个部分组成：电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器。个部分组成：电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器。 图3.20 调频调幅式测量电路 第3章 变磁阻式传感器 2 2调频式测量电路调频式测量电路 3 3电桥电路电桥电路图3.22 调频式测量电路 图3.23 电桥法原理图 第3章 变磁阻式传感器 3.4 3.4 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用3.4.1 3.4.1 自感式传感器的应用自感式传感器的应用 1 1压力测量压力测量 2 2位移测量位移测量 1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线图2.23 电阻丝应变片的基本结构 1引线；2线圈；3衔铁；4测力弹簧；5导杆；6测端图3.25 电感测微仪原理框图 图3.24 变间隙式差动电感压力传感器第3章 变磁阻式传感器 3.4.2 3.4.2 变压器式传感器的应用变压器式传感器的应用 1 1加速度测量加速度测量 2 2压力测量压力测量 图3.26 差动变压器式加速度传感器原理图 1罩壳；2差动变压器；3插头；4膜盒；5接头；6衔铁 图3.27 差动变压器式压力传感器原理图 第3章 变磁阻式传感器 3.4.3 3.4.3 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 1 1测位移测位移 图3.29 主轴轴向位移测量原理图图3.29 主轴轴向位移测量原理图 第3章 变