第3章 变磁阻式传感器第 3 章 变 磁 阻 式 传 感 器1第3章 变磁阻式传感器特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好2第3章 变磁阻式传感器按磁路几何参数变化形式的不同按磁路几何参数变化形式的不同按磁路的结构型式按磁路的结构型式按组成方式分按组成方式分变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺管式螺管式单一式单一式差动式差动式型型E型型分类分类3第3章 变磁阻式传感器传感器线圈的电器参数分析传感器线圈的电器参数分析3.1自感式传感器自感式传感器3.2互感式传感器互感式传感器3.3电涡流式传感器电涡流式传感器3.4本章目录点击进入压感式传感器压感式传感器3.54第3章 变磁阻式传感器简单的自感式传感器简单的自感式传感器组成组成图3.1变气隙式自感传感器上、下移动上、下移动铁心气隙、磁路磁阻变化铁心气隙、磁路磁阻变化线圈电感量线圈电感量测量电路转测量电路转电量电量第一节第一节传感器线圈的电器参数分析传感器线圈的电器参数分析原理原理5第3章 变磁阻式传感器L-L-线圈电感；线圈电感；Rc-Rc-线圈铜耗电阻线圈铜耗电阻; ;Re-Re-铁心涡流损耗电阻铁心涡流损耗电阻; ;Rh-Rh-磁滞损耗电阻；磁滞损耗电阻；C-C-线圈的寄生电容线圈的寄生电容简单的自感式传感器简单的自感式传感器图图3.1变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器图3.2传感器线圈的等效电路分析铁心线圈的电气参数与分析铁心线圈的电气参数与它们对线圈特性的影响，对它们对线圈特性的影响，对了解与分析变磁阻式传感器了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。以及选择传感器参数有帮助。6第3章 变磁阻式传感器(3-1)式中 Rm磁路总磁阻。1.线圈电感线圈电感L由磁路基本知识可知，匝数为由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为的线圈电感为当线圈具有闭合磁路时当线圈具有闭合磁路时式中式中RF导磁体总磁阻。导磁体总磁阻。当线圈磁路具有小气隙时当线圈磁路具有小气隙时式中式中R气隙总磁阻。气隙总磁阻。(3-2)(3-3)7第3章 变磁阻式传感器引入等效磁导率概念引入等效磁导率概念将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为导率为，磁通截面积为，磁通截面积为S，磁路长度为，于，磁路长度为，于是式是式(3-1)式中式中真空磁导率，真空磁导率，410-7(H/)。(3-4)(3-1)变为变为8第3章 变磁阻式传感器2.铜损电阻Rc取决于导线材料及线圈的几何尺寸3.涡流损耗电阻R 由频率为的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。4.磁滞损耗电阻Rh铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转而要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。5.并联寄生电容C的影响并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。9第3章 变磁阻式传感器变换变换这时Re和L的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等先不考虑寄生电容C(3-5)(3-5)(3-6)(3-6)Re与L有关比值Re/L应尽量小，以使Re1时，时，1/Q2可以忽略，式可以忽略，式(3-7)可简化为可简化为有效值有效值Q为为式中式中总的损耗电阻总的损耗电阻11第3章 变磁阻式传感器由式(3-8)、(3-9)、(3-10)知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容加以调整。实际使用中因大多数变磁阻式传感器工作在较低的激励频率下(10H)，上述影响常可忽略，但对于工作在较高激励频率下的传感器(如反射式涡流传感器)，上述影响必需引起充分重视。12第3章 变磁阻式传感器第二节第二节 自感式传感器自感式传感器一一.工作原理与输出特性工作原理与输出特性-带气隙的铁心线圈带气隙的铁心线圈按磁路几何参数变化形式的不同按磁路几何参数变化形式的不同按磁路的结构型式按磁路的结构型式按组成方式分按组成方式分变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺管式螺管式单一式单一式差动式差动式型型E型型罐型罐型13第3章 变磁阻式传感器(3-(3-11)11)式中式中 1,1,22铁心和衔铁的磁路长度铁心和衔铁的磁路长度( () )； S1 S1，S2S2铁心和衔铁的截面积铁心和衔铁的截面积( (2)2)； 1 1、22铁心和衔铁的磁导率铁心和衔铁的磁导率(H/(H/) )； S S、气隙磁通截面积气隙磁通截面积( (2)2)和气隙总长和气隙总长( () )。1.变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器磁路总磁阻为磁路总磁阻为忽略磁路铁损忽略磁路铁损认为气隙磁场是均匀的认为气隙磁场是均匀的,14第3章 变磁阻式传感器(3-12) 由式(3-12)可知，当铁心、衔铁的材料和结构与线圈匝数确定后，若保持S不变，则L即为的单值函数，这就是变气隙式传感器的工作原理。 为了精确分析传感器的特性，利用前述等效磁导率e的概念，由式(3-4)(3-13)可得将式(3-11) 代入式(3-1) ，可得:15第3章 变磁阻式传感器(3-14)(3-14)(3-15)(3-15)代入式(3-4)同时，由式(3-11)所以(3-(3-16)16)式中为一常数式中铁心和衔铁的相对磁导率，通常r1。得带气隙铁心线圈的电感为16第3章 变磁阻式传感器(3-17)由上式可知，变气隙式传感器的输出特性是非线性的，式中负号表示灵敏度随气隙增加而减小，欲增大灵敏度，应减小，但受到工艺和结构的限制。为保证一定的测量范围与线性度，对变气隙式传感器，常取/20.10.5，(1/51/10)。得灵敏度为对式(3-16)微分17第3章 变磁阻式传感器(3-18)式中式中(3-19)若图若图3.1所示传感器的气隙长度所示传感器的气隙长度保持不变，令磁通保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变截面积随被测非电量而变(衔铁水平方向移动衔铁水平方向移动)，即构，即构成变面积式自感传感器。此时由式成变面积式自感传感器。此时由式(3-16)2.变面积式自感传感器变面积式自感传感器灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小，但同样受到工艺，但同样受到工艺和结构的限制。和结构的限制。忽略气隙磁通忽略气隙磁通边缘效应的条边缘效应的条件下，输出特件下，输出特性呈线性性呈线性值的选取与变气隙式相同。值的选取与变气隙式相同。对式对式(3-18)微分得灵敏度为微分得灵敏度为为一常数。为一常数。18第3章 变磁阻式传感器3.螺管式自感传感器螺管式自感传感器图3.4 螺管式自感传感器原理图平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等。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。组成原理19第3章 变磁阻式传感器4.差动式自感传感器差动式自感传感器 绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能：由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。图3.5 差动式自感传感器的输出特性曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为差动特性为差动特性20第3章 变磁阻式传感器 在变隙式差动电感在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，量一个增加，一个减小，形成差动形式。形成差动形式。 1-1-差动线圈差动线圈 2- 2-铁心铁心 3- 3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5- 5-工件工件 21第3章 变磁阻式传感器()一般形式；()变压器电桥二二.测量电路测量电路1.电桥电路电桥电路图3.6输出端对称电桥电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。22第3章 变磁阻式传感器(3-20)(1)输出端对称电桥输出端对称电桥图中Z1、Z2为传感器两线圈阻抗，R1、R2为外接电阻，通常设工作时电源电势为E，于是输出电压幅值和阻抗分别为23第3章 变磁阻式传感器(3-21)(3-22)式(3-20)经变换和整理后可写成(3-23) 式中 Q电感线圈的品质因数， 。 包含着与电源同相和正交的两个分量；实际使用时，希望只存在同相分量。通常由于因此要求线圈有较高的Q值(3-24)24第3章 变磁阻式传感器以变压器两个次级作为电桥平衡臂。显然，其输出特性同(a)。由于变压器次级的阻抗通常远小于电感线圈的阻抗，常可忽略，于是输出阻抗式(3-22)变为变压器电桥变压器电桥图(b)(3-25)图(b)与图(a)相比，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。 25第3章 变磁阻式传感器设工作时(3-26)输出电压幅值和阻抗分别为(3-27)(2)电源端对称电桥电源端对称电桥电桥输出电压为则有(3-28)26第3章 变磁阻式传感器2.谐振电路谐振电路图中Z为传感器线圈，E为激励电源。设图(b)中曲线1为图(a)回路的谐振曲线。若激励源的频率为f，则可确定其工作在A点。当传感器线圈电感量变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在同一频率的纵坐标直线上移动(例如移至B点)，于是输出电压的幅值就发生相应变化。这种电路灵敏度很高，但非线性严重，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27第3章 变磁阻式传感器图3.9 大位移自感式传感器工作原理 ()电原理图；()输出特性传感器线圈用恒流源激励，1是衔铁在螺管线圈内移动时线圈两端的电压，2是与1反相、幅值恒定的电压，0为电路输出电压。于是，01-2。2的作用是抵消电压的非线性部分，使输出电压呈线性。由图可见，当衔铁刚进入传感器线圈时，其电压灵敏度dU/da较低，线性也较差。当a后，灵敏度提高，线性改善，进入工作区域。3.恒流源电路恒流源电路28第3章 变磁阻式传感器4.调频电路调频电路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)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。传感器的结构见图3.10。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29第3章 变磁阻式传感器5.相敏检波电路相敏检波电路-常用的判别电路()带相敏检波的交流电桥Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U0为输出。当衔铁处于中间位置时，Z1Z2Z，电桥平衡，U030第3章 变磁阻式传感器5.相敏检波电路相敏检波电路-常用的判别电路()带相敏检波的交流电桥如供桥电压为如供桥电压为正半周，正半周，即即A点电位点电位高于高于B点，二极管点，二极管D1、D4导通，导通，D2、D3截止。截止。在在AECB支路支路中，中，C点电位由于点电位由于Z1增大而降低；增大而降低；在在AFDB支路中，支路中，D点电位点电位由于由于Z2减小而增高。因此减小而增高。因此D点电位点电位高于高于C点，输出信号为正点，输出信号为正供桥电压为供桥电压为负半周负半周，B点电位高于点电位高于A点，二极管点，二极管D2、D3导通，导通，D1、D4截止。截止。在在BCFA支路中，支路中，C点电位由点电位由于于Z2减小而比平衡时降低；在减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，支路中，D点点电位则因电位则因Z1增大而比平衡时增高增大而比平衡时增高。因此。因此D点电位仍高于点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小31第3章 变磁阻式传感器()实用电路L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。32第3章 变磁阻式传感器图3.12 阶梯形线圈三三.自感式传感器的误差自感式传感器的误差1.输出特性的非线性输出特性的非线性各种自感式传感器，都在原理上或实际上存在非线性误差。测量电路也往往存在非线性。为了减小非线性，常用的方法是采用差动结构和限制测量范围。对于螺管式自感传感器，增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，对于差动式则应保证其对称性，合理选择衔铁长度和线圈匝数。另一种有效的方法是采用阶梯形线圈，如图3.12所示。33第3章 变磁阻式传感器2.零位误差零位误差差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差，如图3.13(a)所示。图3.13 零位误差 ()零位电压；()相应波形34第3章 变磁阻式传感器1、使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏(灵敏度下降)，限制着分辨力的提高。3、若传感器输出作为伺服系统的控制信号，零位电压还会使伺服电机发热，甚至产生零位误动作。2、过大的零位电压会使放大器提前饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。零点残余电压危害：35第3章 变磁阻式传感器（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。（3）励磁电压波形中含有高次谐波。产生零点残余电压的原因36第3章 变磁阻式传感器一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为：(1)串联电阻消除基波零位电压；(2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。图3.14零位电压补偿电路()典型接法；()实际电路37第3章 变磁阻式传感器3.温度误差温度误差环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度、环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度、线性度和相位的变化，造成温度误差。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：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；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；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。等造成。38第3章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 变隙电感式压力传感器结构图当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。39第3章 变磁阻式传感器当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。变隙式差动电感压力传感器40第3章 变磁阻式传感器第三节第三节 互感式传感器互感式传感器互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。传感器是根据变压器的基本原理制成的，与自感式传感器统称为电感式传感器。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm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。闭合磁路开磁路初、次级间的互感为常数初、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又称为差动变压器互感式传感器变压器41第3章 变磁阻式传感器两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。42第3章 变磁阻式传感器一一.工作原理与类型工作原理与类型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3-15所示。U，I初级线圈激励电压与电流初级线圈激励电压与电流(频率为频率为)；L1，R1初级线圈电感与电阻；初级线圈电感与电阻；M1，M2初级与次级线圈初级与次级线圈1，2间的互感；间的互感；L21，L22和和R21，R22分别为两个次级线圈的电分别为两个次级线圈的电感和电阻。感和电阻。根据变压器原理，传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差：(3-29)43第3章 变磁阻式传感器衔铁在中间位置时若两次级线圈参数与磁路尺寸相等，则M1M2M，U00。衔铁偏离中间位置时M1M2由于差动工作，有M1M+M1，M2M-M2。在一定范围内，M1M2M，差值(M1-M2)与衔铁位移成比例。于是，在负载开路情况下，输出电压及其有效值分别为(3-30)44第3章 变磁阻式传感器(2-32)(3-30)(3-31)式中ESO衔铁在中间位置时，单个次级线圈的感应电势45第3章 变磁阻式传感器图3.16 变气隙式差动变压器变气隙式变面积式螺管由式(3-29)可知，差动变压器的输出特性与初级线圈对两个次级线圈的互感之差有关46第3章 变磁阻式传感器(3-33)结构型式不同，互感的计算方法也不同。型差动变压器的输出特性为式中为初始气隙；W1为初级线圈匝数；W2为次级线圈匝数；为衔铁上移量上式表明，输出电压U0与衔铁位移成比例，负号表明向上为正时，输出电压U0与电源电压U反相；向下为负时，两者同相。输出特性曲线如图3.17所示。推导过程略47第3章 变磁阻式传感器图3.17差动变压器的特性 ()输出特性；()相位特性48第3章 变磁阻式传感器由式(3-33) (3-34)灵敏度随电源电压U和变压比W2：W1的增大而提高，随初始气隙增大而降低。传感器的增加次级匝数W2与增大激励电压U将提高灵敏度。但W2过大，会使传感器体积变大，且使零位电压增大；U过大，易造成发热而影响稳定性，还可能出现磁饱和，因此常取0.58V，并使功率限制在1VA以下。分析结论：可得形差动变压器的灵敏度表达式49第3章 变磁阻式传感器(3-35)当激励频率过低时，L1R1时，式(3-30)变为(3-36)此时，灵敏度与频率无关，为一常数。继续增加超过某一数值时(该值视铁心材料而异)，由于导线趋肤效应和铁损等影响而使灵敏度下降(见图3.18)。变成50第3章 变磁阻式传感器通常应按所用铁心材料，选取合适的较高激励频率，以保持灵敏度不变。这样，既可放宽对激励源频率的稳定度要求，又可在一定激励电压条件下减少磁通或匝数，从而减小尺寸。51第3章 变磁阻式传感器问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。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，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。二二.测量电路测量电路52第3章 变磁阻式传感器53第3章 变磁阻式传感器(2)相敏检波电路输入信号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上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻。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，且us和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二者同频同相（或反相）。54第3章 变磁阻式传感器55第3章 变磁阻式传感器根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器T1、T2的中心抽头，则采用电路分析的基本方法56第3章 变磁阻式传感器当u0与uy均为负半周时：二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。输出电压uo表达式相同。说明只要位移x0，不论u0与uy是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压始终为正。当x0时：u0与uy为同频反相。不论u0与uy是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压表达式总是为57第3章 变磁阻式传感器58第3章 变磁阻式传感器图3.21 二次线圈反串电路一般采用反串电路和桥路两种反串电路是直接把两个二次线圈反向串接（如图反串电路是直接把两个二次线圈反向串接（如图3.21）。）。这种情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差，这种情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差，即：即：59第3章 变磁阻式传感器(3-37)可见桥路的灵敏度为前面的可见桥路的灵敏度为前面的0.50.5，但其优点但其优点是利用是利用RwRw可进行调零，可进行调零，不再需要另外配置调零电路。不再需要另外配置调零电路。 图3.22 差动变压器使用桥路桥路如图3.22：其中R1，R2是桥臂电阻，Rw是调零电位器。设R1R2，则输出电压60第3章 变磁阻式传感器(3-38)由上式可知，低频激励时线圈的品质因数由上式可知，低频激励时线圈的品质因数(Q(QLL/R)/R)低，温度低，温度误差大。为此应提高初级线圈的品质因数。误差大。为此应提高初级线圈的品质因数。三三.互感式传感器的误差互感式传感器的误差不同：差动变压器多了一个初级线圈。当温度变化时，初级线圈的参数尤其铜阻的变化影响较大。设温度变化()，初级线圈铜阻R增加R，铜线电阻温度系数为+0.4/，由此引起的次级输出电压的相对变化为自感式传感器的误差分析均适用于差动变压器。61第3章 变磁阻式传感器在初级串入一高阻值降压电阻R，或同时串入热敏电阻RT进行补偿。适当选择RT，可使温度变化时原边总电阻近似不变，从而使激励电流保持恒定。图3.23 温度补偿电路为减小温度误差，可采取稳定激励电流的方法，如图3.2362第3章 变磁阻式传感器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四四.电感式传感器的应用电感式传感器的应用63第3章 变磁阻式传感器微压力传感器64第3章 变磁阻式传感器图4.22差动变压器式加速度传感器原理图 差动变压器式加速度传感器:由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连， 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。 65第3章 变磁阻式传感器位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。第四节第四节 电涡流式传感器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。电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。特点：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。测量参数：66第3章 变磁阻式传感器当高频（500kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。集肤效应与激励源频率f、工件的电导率s、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数，如线圈与导体表面的距离。导体表面的裂纹、或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。67第3章 变磁阻式传感器图3.25电涡流式传感器的基本原理一一.工作原理工作原理68第3章 变磁阻式传感器如图3.25所示，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H1。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H2，H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1,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。69第3章 变磁阻式传感器图3.26等效电路 为分析方便，我们将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如图3.26所示。设线圈的电阻为R1，电感为L1，阻抗为Z1=R1+jL1；短路环的电阻为R2，电感为L2；线圈与短路环之间的互感系数为M。 70第3章 变磁阻式传感器M随它们之间的距离x减小而增大。加在线圈两端的激励电压为:根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组解之得71第3章 变磁阻式传感器由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为(3-39)线圈的等效电感为(3-40)72第3章 变磁阻式传感器由式(3-39)(3-41)可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。73第3章 变磁阻式传感器4.3.3 电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。1. 调频式电路调频式电路 74第3章 变磁阻式传感器传感器线圈接入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。振荡器的频率为为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。75第3章 变磁阻式传感器2. 调幅式电路调幅式电路由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压式中,Z为LC回路的阻抗。76第3章 变磁阻式传感器当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。77第3章 变磁阻式传感器三三. .电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用1.测位移测位移电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。目前电涡流位移传感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。78第3章 变磁阻式传感器测量电路功率放大报警器继电器电动泵用电涡流式传感器构成的液位监控系统用电涡流式传感器构成的液位监控系统案例浮子涡流板电涡流式传感器79第3章 变磁阻式传感器图3.30液位监控系统图3.30为用电涡流式传感器构成的液位监控系统。如图所示，通过浮子3与杠杆带动涡流板1上下位移，由电涡流式传感器2发出信号控制电动泵的开启而使液位保持一定。80第3章 变磁阻式传感器2.测厚度测厚度图3.31测金属板厚度示意图81第3章 变磁阻式传感器除前已介绍的低频透射式电涡流传感器外，高频反射式电涡流传感器也可用于厚度测量。后者测板厚时，金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。图3.31所示为此应用一例。为克服金属板移动过程中上下波动及带材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器L1与L2。82第3章 变磁阻式传感器由图可知，板厚dD（x+x2）。工作时，两个传感器分别测得x和x2。板厚不变时，(x+x2)为常值；板厚改变时，代表板厚偏差的(x+x2)所反映的输出电压发生变化。测量不同厚度的板材时，可通过调节距离D来改变板厚设定值，并使偏差指示为零。这时，被测板厚即板厚设定值与偏差指示值的代数和。除上述非接触式测板厚外，利用电涡流式传感器还可制成金属镀层厚度测量仪、接触式金属或非金属板厚测量仪。83第3章 变磁阻式传感器3 3、无损探伤、无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测84第3章 变磁阻式传感器模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器85第3章 变磁阻式传感器产品：产品：86第3章 变磁阻式传感器案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器87第3章 变磁阻式传感器差动变压器差动变压器测量电路测量电路模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器88第3章 变磁阻式传感器差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器模拟量传感器89第3章 变磁阻式传感器该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。90