☆變磁阻式傳感器.ppt

1、變磁阻式傳感器,1、電感式傳感器 2、變壓器式傳感器 3、電渦流式傳感器,變磁阻式傳感器是利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的。它可以把輸入的各種機(jī)械物理量如位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電能量輸出。,變磁阻式傳感器的特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：工作中沒有活動(dòng)電接觸點(diǎn)，因而，比電位器工作可靠，壽命長(zhǎng)； 靈敏度高分辯力大：能測(cè)出0.01m甚至更小的機(jī)械位移變化，能感受小至0.1的微小角度變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每一毫米可達(dá)數(shù)百毫伏，因此有利于信號(hào)的傳輸與放大； 重復(fù)性好線性度優(yōu)良：在一定位移范圍（最小幾十微米，最大達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百毫米）內(nèi)，輸出特性的線性度好，并且比較穩(wěn)

2、定，高精度的變磁阻式傳感器，非線性誤差僅0.1%。 缺點(diǎn)： 存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。,第一節(jié) 電感式傳感器,一、工作原理,L 線圈自感量； 線圈總磁鏈，單位：韋伯； I通過線圈的電流，單位：安培； W線圈的匝數(shù)； Rm磁路總磁阻，單位：1/亨。,a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型,1 、2 鐵芯材料的導(dǎo)磁率； L1 、 L2 磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度； S1 、 S2 鐵芯的截面積； 0 空氣的導(dǎo)磁率； S0 氣隙的截面積； 氣隙的厚度。,氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 ：,二、電感式傳感器輸出特性,當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為,當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則 有,得到,當(dāng)/0 1時(shí)，,靈敏度

3、為,由上可見，變隙式電感傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。 為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。,差動(dòng)變隙式電感傳感器,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2,進(jìn)行線性處理忽略高次項(xiàng)得,靈敏度k0為,（1）差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。 （2）差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以(/0)因子，因?yàn)?/0)1，所以，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。,因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。,交流變壓器電路,輸出電壓,銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí),三、測(cè)量電路,銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓的大小相等，但方向相

4、反，由于U0是 交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。,第二節(jié) 差動(dòng)變壓器式傳感器,差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。 1、變隙式 2、變面積式 3、螺線管式,第二節(jié) 差動(dòng)變壓器式傳感器,(a)、(b) 變隙式差動(dòng)變壓器 (c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓器 (e)、(f) 變面積式差動(dòng)變壓器,一、工作原理,-活動(dòng)銜鐵； -導(dǎo)磁外殼； -骨架； -匝數(shù)為W1初級(jí)繞組； -匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組； -匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組,1、活動(dòng)銜鐵處于初始平 衡位置時(shí)

5、，U2=E2a-E2b=0, 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零； 2、當(dāng)E2a、E2b隨著銜鐵 位移x變化時(shí)，U2也必將隨x 變化。U2=E2a-E2b0,差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線,二、基本特性,當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)線圈激勵(lì)電流為,則次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)為,次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，則,輸出電壓有效值,1、基本特性分析：,（1）當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1= M2=M 則 U2=0 （2）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向W2a方向移動(dòng)時(shí) M1= M+M, M2= M-M 故 （3）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向W2b方向移動(dòng)時(shí) M1= M-M，M2= M+M 故,2、零點(diǎn)殘余電壓及消除方法,零點(diǎn)殘余電壓的危害： （1）零點(diǎn)殘余電壓使傳感器輸出特

6、性在零點(diǎn)附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制著分辨力的提高。 （2）零點(diǎn)殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，堵塞有用信?hào)通過，致使儀器不再反映被測(cè)量的變化。 減小零點(diǎn)殘余電壓的措施： （1）在設(shè)計(jì)和工藝上，力求做到磁路對(duì)稱，線圈對(duì)稱。鐵芯材料要均勻，要經(jīng)過熱處理去除機(jī)械應(yīng)力和改善磁性。兩個(gè)二次側(cè)線圈窗口要一致，兩線圈繞制要均勻一致。一次側(cè)線圈繞制也要均勻。 （2）采用拆圈的實(shí)驗(yàn)方法來減小零點(diǎn)殘余電壓。其思路是，由于兩個(gè)二次側(cè)線圈的等效參數(shù)不相等，用拆圈的方法，使兩者等效參數(shù)相等。 （3）在電路上進(jìn)行補(bǔ)償。線路補(bǔ)償主要有：加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容，加反饋電阻或反饋電容等。,三、測(cè)量轉(zhuǎn)

7、換電路,差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向。另外，其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。 為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。,（1）差動(dòng)整流電路,(c)半波電流輸出(d)全波電流輸出 （適用于低阻抗負(fù)載）,電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓,(a)半波電壓輸出 (b)全波電壓輸出 （適用于高阻抗負(fù)載）,（2）相敏檢波電路,相敏檢波電路波形,(a)被測(cè)位移變化波形圖；,(b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形；,(c) 差動(dòng)變壓器輸出電壓波形；,(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；,(e)相敏檢波輸出電壓波形,第

8、三節(jié) 電渦流式傳感器,當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)引起感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。,一、基本原理,線圈置于金屬導(dǎo)體附近： 線圈中通以高頻信號(hào) i1 正弦交變磁場(chǎng) H1 金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流 渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng) 反作用于線圈 ,改變了電感,等效電路,線圈的等效電感為,二、傳感器的結(jié)構(gòu),線圈 框架 3框架襯套 4 支架 5電纜 6插頭,1、高頻反射式渦流傳感器,由于電渦流傳感器是利用線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的電磁耦合進(jìn)行工作的，因而被測(cè)導(dǎo)體作為“實(shí)際傳感器”的一部分，其材料的物理性質(zhì)、尺寸與形狀都與傳感器特性密切相關(guān)。,電感變化程度取于線圈L的外形尺寸，線圈L至金屬板之間的距

9、離，金屬板材料的電阻率和磁導(dǎo)率 以及的頻率等,2、低頻透射式渦流傳感器,透射式渦流傳感器原理 線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線,由圖可見，f較低時(shí)（即t較大），線性較好。因此f應(yīng)選擇較低的頻率（通常用1kHz左右）。同時(shí)，h較小時(shí)，t3曲線（f較高）的斜率較大。 因此：測(cè)薄板時(shí)應(yīng)選較高的頻率， 測(cè)厚板時(shí)則選較低的頻率。,三、測(cè)量電路,根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，針對(duì)被測(cè)參可以轉(zhuǎn)換為線圈電感、阻抗或Q值的三種參數(shù)的變化，測(cè)量電路也有三種：諧振電路、電橋電路與Q值測(cè)試電路。 Q值測(cè)試電路較少采用，電橋電路在前面已作了較詳細(xì)的闡述。 本節(jié)主要介紹諧振電路。其基本原理是將傳感器線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回

10、路，諧振頻率f=1/(2 )；諧振時(shí)回路阻抗最大，為 ，其中 為回路等效損耗電阻。 當(dāng)電感L變化時(shí)，f和Z0都隨之變化，因此通過測(cè)量回路阻抗或諧振頻率即可獲得被測(cè)值。 目前電渦流式傳感器所用的諧振電路有三種類型： 定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。,定頻調(diào)幅式: 在無被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，由傳感器線圈L與電容C構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時(shí)回路阻抗最大，回路壓降最大。當(dāng)傳感器接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，損耗功率增大，回路失諧，輸出電壓相應(yīng)變小。這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙（位移）成近似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率f0始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。 變頻調(diào)幅式: 將傳感器線圈L直接

11、接入電容三點(diǎn)式振蕩回路，當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電壓的幅度和頻率都發(fā)生變化，利用振蕩幅度的變化來檢測(cè)線圈與導(dǎo)體間的位移變化，而對(duì)頻率變化不予理會(huì)。 調(diào)頻式: 調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點(diǎn)式振蕩回路；所不同的是，以振蕩頻率的變化作為輸出信號(hào)。,第四節(jié) 變磁阻式傳感器的應(yīng)用,變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖,變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器,1.壓力測(cè)量,差動(dòng)變壓器微壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖,1-接頭；2-膜盒； 3-底座；4-線路板； 5-差動(dòng)變壓器線圈； 6-銜鐵；7-罩殼； 8-插頭；9-通孔,傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合， 可以組成開環(huán)

12、壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計(jì),2.力和力矩的測(cè)量,1線圈 2銜鐵 3彈性元件,優(yōu)點(diǎn)：承受軸向力時(shí)應(yīng)力分布均勻； 當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，受橫向偏心的分力的影響較小。,3.加速度測(cè)量,1 懸臂梁； 2 差動(dòng)變壓器,電渦流式位移傳感器,(a) 汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量示意圖 (b) 磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測(cè)量示意圖 (c) 金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖,4.位移的測(cè)量（1）,4.位移的測(cè)量（1）,偏心和振動(dòng)檢測(cè),通過測(cè)量間隙來測(cè)量徑向跳動(dòng),電渦流式位移傳感器,4.位移的測(cè)量（1）,測(cè)量金屬薄膜、板材厚度,電渦流式位移傳感器,4.位移的測(cè)量（1）,測(cè)量尺寸、公差及零件識(shí)別,電渦流式位移傳感器,4.位移

13、的測(cè)量（1）,測(cè)量封口機(jī)工作間隙,間隙越大， 電渦流越小,電渦流式位移傳感器,4.位移的測(cè)量（1）,間距,電渦流式位移傳感器,測(cè)量注塑機(jī) 開合模的間隙,1測(cè)端 2防塵罩 3軸套 4圓片簧 5測(cè)桿 6磁筒 7磁芯 8線圈 9彈簧 10導(dǎo)線,差動(dòng)變壓器式位移傳感器,4.位移的測(cè)量（2）,4.位移的測(cè)量（3）,感應(yīng)同步器,感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于直線位移和角位移測(cè)量，兩者原理相同。 直線式（長(zhǎng)）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，如圖所示。,定尺,滑尺,4.位移的測(cè)量（3）,感應(yīng)同步器,旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成,定子,轉(zhuǎn)子,4.位移的測(cè)量（3）,感應(yīng)同步器,在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連

14、續(xù)繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，在空間相差90相角，故又稱為正弦、余弦繞組。 工作時(shí)在其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對(duì)位置不同而呈正弦、余弦函數(shù)變化，再通過對(duì)此信號(hào)的檢測(cè)處理，便可測(cè)量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。,電感式滾柱直徑分選裝置,1氣缸 2活塞 3推桿 4被測(cè)滾柱 5落料管 6電感測(cè)微器 7鎢鋼測(cè)頭 8限位擋板 9電磁翻板 10容器（料斗）,電感式滾柱直徑分選裝置,滑道,11個(gè)分選倉(cāng)位,廢料倉(cāng),(a)汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)常用的監(jiān)控主軸的徑向振動(dòng)的示意圖 (b)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振幅

15、的示意圖 (c) 通常使用數(shù)個(gè)傳感器探頭并排地安置在軸附近,5.振幅的測(cè)量,電渦流式位移（振幅）傳感器,電渦流式位移（振幅）傳感器,5.振幅的測(cè)量,測(cè)量懸臂梁 的振幅及頻率,汽輪機(jī)葉片測(cè)試,電渦流式位移（振幅）傳感器,5.振幅的測(cè)量,測(cè)量彎曲、波動(dòng)、變形,對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。,6.厚度測(cè)量,電渦流式厚度計(jì)測(cè)量冷軋板厚度,7.轉(zhuǎn)速測(cè)量,f頻率值(Hz)； n旋轉(zhuǎn)體的槽(齒)數(shù)； N被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速(rmin)。,7.轉(zhuǎn)速測(cè)量,8.渦流探傷,可以用來檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。 綜合參數(shù)(x, , )的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通過測(cè)量傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的。 在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的，在測(cè)量線圈上就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制頻率信號(hào),a