傳感器與檢測技術(shù)：第3章 變阻抗式傳感器

1、1/36傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)第第3章變阻抗式傳感器章變阻抗式傳感器3.1 自感式傳感器自感式傳感器3.2 互感式傳感器互感式傳感器3.3 電容傳感器電容傳感器3.4 電渦流式傳感器電渦流式傳感器2/36第第3章變阻抗式傳感器章變阻抗式傳感器3.1變變按轉(zhuǎn)化機理的不同按轉(zhuǎn)化機理的不同利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量。而導致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量。感測量：位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。感測量：位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。3/36第第3章變磁阻式傳感器

2、章變磁阻式傳感器二、自感式傳感器二、自感式傳感器按磁路幾何參數(shù)變化形式：變間隙型、變面積型和螺管型。按磁路幾何參數(shù)變化形式：變間隙型、變面積型和螺管型。按組成方式：按組成方式： 單一型單一型 、 差動型差動型 222000(1)/(11/)/rrrrrdideLNdtdtNANANALllllll 4/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器二、自感式傳感器二、自感式傳感器（1）變間隙式）變間隙式2021rrNSdLKLdllll （2）變面積式）變面積式特點：非線性，特點：非線性， 靈敏度隨氣隙增加靈敏度隨氣隙增加而減小，而減小，20srNdLKdSll5/36（3）螺管型電感式傳感器）螺

3、管型電感式傳感器第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器lrx2ra12圖4.1.4 螺管型電感傳感器1-線圈 2-銜鐵設(shè)線圈長度為設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為、線圈的平均半徑為r、線、線圈的匝數(shù)為圈的匝數(shù)為N、銜鐵進入線圈的長度、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導率為、鐵心的有效磁導率為m，則線圈的電感量，則線圈的電感量L與銜鐵進入線圈的與銜鐵進入線圈的長度長度la的關(guān)系可表示為的關(guān)系可表示為 232020222(1)32/ln()233 /3aaaaahaaRglLNRralllDggrgldLKNL ldll為比磁導6/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁

4、阻式傳感器（4）差動型電感式傳感器）差動型電感式傳感器 差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個導磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。差動式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。 7/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器變氣隙式差動型電感式傳感器性能改善變氣隙式差動型電感式傳感器性能改善22200001222001020202/1/1/( /)(1/rrrrrrrrnrrrrNANANALLLllllllllNANAllLLlllll lllllllllLllllllNANLlll20020

5、321210/1/1/( /)(1/1112(/rrrrnrrrnrrrAllLll lllllllllLllllllLLLlllllll8/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器（5）自感式傳感器測量電路）自感式傳感器測量電路（a)等效電路等效電路實際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻實際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻R RC C ；鐵芯的渦流損耗電阻鐵芯的渦流損耗電阻R Re e ；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入，存在；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C C表示。表示。

6、ZCLRcRe9/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器（5）自感式傳感器測量電路）自感式傳感器測量電路（b)交流電橋交流電橋ZLR1R2Z2Z1ACU0U電阻平衡臂交流電橋電阻平衡臂交流電橋差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂（臂（Z Z1 1、Z Z2 2為兩個差動傳感器線圈的復阻為兩個差動傳感器線圈的復阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻R R1 1、R R2 2代替代替0022ACACSSRjLUZUUZRj L設(shè)初始時設(shè)初始時 Z Z1 1= = Z Z2 2= = Z Z = = R RS S+ +jLjL； R R1

7、 1 = = R R2 2 = = R R； L L1 1= = L L2 2= = L L0 0 。 00 2ACSLULQURL當自感線圈的品質(zhì)因數(shù)值很高時：10/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器（5）自感式傳感器測量電路）自感式傳感器測量電路（b)交流電橋交流電橋L/L/mHmH11/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器（5）自感式傳感器測量電路）自感式傳感器測量電路（b)交流電橋交流電橋平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組.210221212222ZZUUUUUZ IZZZZZ12012222ACACACUUUZZZjLUZZZRj L 若線圈的

8、若線圈的Q Q值很高，損耗電阻可忽略，則值很高，損耗電阻可忽略，則 0 2ACABULUL 兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差180為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決 12/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器（5）自感式傳感器測量電路）自感式傳感器測量電路（c)相敏檢波電橋相敏檢波電橋圖4.1.7 帶相敏整流的交流電橋ABVD1VD3VD2VD4CDEFVC3L1L2Rw1Rw2C1C2R1R2R3R4R5C413/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器（6）自感式傳感器誤差）自感式傳感器誤差非線性誤差非線性誤差，解決辦法：差動

9、結(jié)構(gòu)與限制測量范圍，解決辦法：差動結(jié)構(gòu)與限制測量范圍當差動自感式傳感器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸當差動自感式傳感器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，在零點仍有一個微小的電壓值出電壓為零。但實際上，在零點仍有一個微小的電壓值( (稱為零稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；點殘余電壓。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。路正常工作等。 零點殘余電壓（零位誤差零點殘余電壓（零位誤差）E2E2E0 x0.14/36第第

10、3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器殘余電壓（零位誤差）殘余電壓（零位誤差）基波分量基波分量次級繞組不一致次級繞組不一致 等效電路參數(shù)（互感等效電路參數(shù)（互感M M、自感、自感L L及損耗電阻及損耗電阻R R）不同）不同 次級繞組的感應(yīng)電動勢數(shù)值不等。次級繞組的感應(yīng)電動勢數(shù)值不等。初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。高次諧波高次諧波高次諧波分量主要由高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起導磁材料磁化曲線的非

11、線性引起。由于磁滯損。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦弦( (主要是三次諧波主要是三次諧波) )磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，外，激勵電流波形失真激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導致零，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分。再有就是點殘余電壓中有高次諧波成分。再有就是電磁干擾電磁干擾 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因?15/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器解決辦法？解決辦法

12、？從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導率、低矯頑力、低成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁剩磁感應(yīng)的導磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 選用合適的測量線路選用合適的

13、測量線路 采用補償線路采用補償線路16/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過：環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過： 材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化；材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化； 材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化；材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化； 磁性材料磁導率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和磁性材料磁導率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當提高線圈品質(zhì)因數(shù)采用恒流源激勵比恒壓源激

14、勵有利。適當提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的并采用差動電橋可以減少溫度的影響影響 環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，會導致品質(zhì)系數(shù)的改變，只要適接影響輸出電勢。而頻率的波動，會導致品質(zhì)系數(shù)的改變，只要適當?shù)剡x擇頻率，其影響不大。當?shù)剡x擇頻率，其影響不大。17/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)(二)互感式傳感器互感式傳感器是將被測量的物理量 (如：力、位移等)轉(zhuǎn)換成互感系

15、數(shù)的傳感器基本原理、結(jié)構(gòu)與常用變壓器類似 亦稱為變壓器式傳感器 18/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)線圈1為原邊線圈線圈2為副邊線圈由變壓器原理可知： 當原邊通過交變電流 i1時 在磁通全回路上的磁通存在交變變化 在副邊上可感生的感應(yīng)電勢E21為： 式中：E21副邊感應(yīng)電勢向量； I1原邊交變電流向量； 工作交變電流角頻率； M 互感系數(shù)。121IMjE19/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器在原邊線圈上還存在自感L1，故：式中：E1 原邊交變電勢相量； R1 原邊線圈的電阻。 表明：若原邊所施加的電勢E1 、工作頻率、原邊線圈參數(shù)等確定 副邊感生電勢E2

16、1是互感系數(shù) M 的單值函數(shù) 1111LjREI121IMjEMLjREjE1112120/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器互感系數(shù) M 反映了兩線圈的耦合程度 它是原邊與副邊線圈匝數(shù)、長度、相互位置以及磁路磁阻等因素的函數(shù)任一參數(shù)變化均可改變互感 M，從而改變感應(yīng)電勢 E21 測量感應(yīng)電勢 E21 的變化，就可以測量各參數(shù)的變化互感式傳感器可以直接導出電壓輸出，可方便測量 次級線圈采用單線圈具有一個明顯的缺點， 即：被測物理量無變化，次級線圈仍有感應(yīng)電勢為了維持零位參數(shù)輸出為零，需在后續(xù)電路中給予補償或抵消解決這一問題的最佳方案是采用差動式結(jié)構(gòu) 即：差動變壓器型的電感傳感器 21/

17、36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器(e)、(f) 變面積式差動變壓器變面積式差動變壓器 (a)、(b) 變隙式差動變壓器變隙式差動變壓器(c)、(d) 螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器22/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器當次級開路時，初級繞組的交流電流為：當次級開路時，初級繞組的交流電流為：PP.iP.LjRUI次級繞組的感應(yīng)電動勢為：次級繞組的感應(yīng)電動勢為：.P.IMjU11.P.IMjU22由于次級繞組反向串接，故差動變壓器輸出電壓為由于次級繞組反向串接，故差動變壓器輸出電壓為.012 iPPUUjMMRj L 其有效值為其有效值為22210PPiLRUMMU23/

18、36 鐵芯處于中間位置時，鐵芯處于中間位置時，M M1 1 = = M M2 2 = = M M，U U0 0 = 0 = 0 鐵芯上升時，鐵芯上升時，M M1 1= = M M + +M M，M M2 2= = M M - -M M LRMUUPPi2202 鐵芯下降時，鐵芯下降時，M M1 1 = = M M - -M M，M M2 2 = = M M +M M LRMUUPPi2202第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器e21e22差動變壓器輸出電差動變壓器輸出電勢勢與銜鐵位移與銜鐵位移x x的關(guān)系。其中的關(guān)系。其中x x表表示銜鐵偏離中心位示銜鐵偏離中心位置的距離。置的距離。 0 x

19、差動變壓器輸出特性差動變壓器輸出特性24/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器3.差動變壓器測量電路差動變壓器測量電路兩個目的：n辨別移動方向n消除零點殘余電壓兩種方法：n差動整流電路n相敏檢波電路25/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器3.差動變壓器測量電路差動變壓器測量電路第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器差動整流電路差動整流電路3.差動變壓器測量電路差動變壓器測量電路hgdcghdcUUUUU0電阻電阻R1上的電流總是從上的電流總是從c到到d R2上的電流總是從上的電流總是從g到到h26/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器二級管相敏檢波電路二級管相敏檢波電路3.

20、差動變壓器測量電路差動變壓器測量電路27/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器差動變壓器互感傳感元件的性能及改善由右圖特性曲線可見：差動變壓器在一定范圍內(nèi)工作具有較好的線性，但超過此范圍，線性度迅速惡化改善這一性能的關(guān)鍵 擴大使磁場均勻的范圍(1) 線性工作段線性工作段28/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器2.差動變壓器互感傳感元件的性能及改善靈敏度是指銜鐵移動單位位移時所產(chǎn)生的輸出電勢變化(mV/mm)使用中取單位激勵電壓、單位位移所產(chǎn)生的輸出電勢變化(mV/mmV) 選定結(jié)構(gòu)參數(shù)，由上式可見： 初級電壓E1愈高，則輸出E2愈大，提高初級電壓可以提高靈敏度 但初級電壓過大會引

21、起變壓器線圈發(fā)熱，造成輸出信號漂移激勵電源頻率影響： 激勵電源頻率過低LR1，E2-j (e1/R1) 2M，靈敏度隨變化 當增加使LR1，則E2-j(E1/L1)M，靈敏度與無關(guān) 當過大時，導線的集膚效應(yīng)使有效阻值增加，高頻時的渦流損耗和磁滯損耗均增加，從而使輸出值減小，降低了靈敏度 12112EjMRj LEww= -D+&(2) 靈敏度靈敏度29/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用位移與尺寸測量位移與尺寸測量壓力測量壓力測量力和力矩測量力和力矩測量振動測量振動測量(5)其它應(yīng)用其它應(yīng)用30/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用31/36第第3

22、章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用32/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用33/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用34/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用35/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器4.應(yīng)用應(yīng)用36/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器四、電渦流式傳感器四、電渦流式傳感器電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器可以實現(xiàn)非接觸地測量物體表面為金屬導體的多種物理電渦流式傳感器可以實現(xiàn)非接觸地測量物體表面為金屬導體的多種物理量，如位

23、移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器也可量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器也可用于無損探傷。用于無損探傷。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，1. 工作原理工作原理渦流效應(yīng)：當通過渦流效應(yīng)：當通過金屬體金屬體的的磁通變化磁通變化時，就時，就會在導體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導體會在導體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要

24、消耗一部分能量，從而使產(chǎn)流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)稱為渦流效應(yīng)37/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器.22221.1111210R Ij L Ij M IR Ij L Ij M IU短路環(huán)短路環(huán).222211212.222222221()()UMMZRRjLLRLRLI這一等效阻抗由虛、實兩部分組成： 實部，即：等效電阻部分與無次級邊時相比有所增大 虛部，即：等效電感部分較之空載時趨于減少增加和減小的程度取決于次級線圈的電阻，電感、激勵電流頻率和兩線圈之間的互感系數(shù)這些參數(shù)取決于次級線

25、圈，即： 被測金屬材料的電阻率、導磁率和初次級線圈間的距離等參數(shù)總等效阻抗是以上各參數(shù)的函數(shù)，即：( , , , )Zfd r w m=38/36第第3章變磁阻式傳感器章變磁阻式傳感器2. 結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型123456圖4.3.3 高頻反射式電渦流傳感器1-線圈 2-框架 3-框架襯套 4-支架5-電纜 6-插頭電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是磁性耦合，電渦電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。因此，流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。因此，被測物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測量被測物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測量裝置特性有關(guān)。一般來說，被測物的電導率越高，傳感器裝置特性有關(guān)。一般來說，被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度也越高。的靈敏度也越高。為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對于平板型的被測體則為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的要求被測體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.81.8倍，否則靈敏度倍，否則靈敏度要降低。當被測物體