第3章变磁阻式传感器汇编.ppt

第3章 变磁阻式传感器 Variable Reluctive Sensor 又称电感式传感器 检查金属罐头上是否有盖子 主要内容 变磁阻式传感器的基本原理 三种电感式传感器： 自感式传感器 互感式传感器 电涡流式传感器 变磁阻式传感器 定义：先将被测量转换为磁路中磁阻R的变化，再转换为线圈电感L的变化，以实现测量的传感器 主要用于位移、振动、力等物理量的测量，还可用于制作接近开关等器件 变磁阻式传感器 特点：结构简单、工作可靠、寿命长，并具有良好的性能与宽的适用范围，适合在较恶劣的环境中工作，在计量技术、工业生产和科学研究领域得到广泛应用 变磁阻式传感器的结构 以变气隙式自感传感器为例 变磁阻式传感器的结构 以变气隙式自感传感器为例 传感器由线圈、铁芯、衔铁构成。衔铁与被测物体相连，上下移动 要求铁芯和衔铁采用高磁导率 的材料 变磁阻式传感器的基本原理 工作时，给线圈通交流电，线圈表现出电感的性质，电感量L与线圈匝数W和磁路中的磁阻有关，关系如下： 变磁阻式传感器的基本原理 假设一段导磁体的磁导率为 ，长度为l，横截面积为S，则其磁阻为： 为真空磁导率 为材料的相对磁导率 变磁阻式传感器的基本原理 为气隙间隔，S为磁通截面积， 为气隙的磁导率 当衔铁移动时，气隙间隔 发生变化，引起线圈的电感变化，从而实现位移等的测量 变磁阻式传感器的基本原理 我们看到，电感式传感器是在普通线圈电感工作的基础上，引入了被测量改变电感磁路中的磁阻的机制，进而改变电感L，从而实现测量 传感器线圈的品质 线圈的品质对传感器的性能有重要影响，其等效电路为： 传感器线圈的品质 传感器线圈的品质因数Q值： 其中等效电感 和等效电阻 与工作的激励频率有关，因此，电感传感器工作的激励频率需要合理选择 自感式传感器 传感器线圈通交流电后产生变化的磁场，该磁场又对自身产生感应电势，形成电感，这种现象称为自感现象。利用自感现象进行测量的器件称为自感式传感器 根据磁阻改变的方式不同，分为： 变气隙式 变面积式 螺管式 变气隙式自感传感器的结构 变面积式自感传感器的结构 螺管式自感传感器的结构 复习 变磁阻式传感器的一般原理： 被测量改变磁路中的磁阻Rm 磁阻的改变引起电感L发生改变 复习 电感与磁阻的关系： 复习 假设一段导磁体的磁导率为 ，长度为l，横截面积为S，则其磁阻为： 为真空磁导率 为材料的相对磁导率 变气隙式自感传感器 设铁芯与衔铁使用相同材料，且截面积相同 变气隙式自感传感器 可见，电感与气隙间隔是非线性关系 变气隙式自感传感器 可得其灵敏度： 可见，要想得到较高的灵敏度，气隙间隔 要小，一般 测量电路 变磁阻式传感器需要通过测量电路，将电感转变为电压或电流信号 有两种电源激励和输出方式： 恒压源激励，输出电流 恒流源激励，输出电压 测量电路 采用恒压源激励，输出电流信号： 此时输出电流与气隙间隔成线性关系 测量电路 采用恒流源激励，输出电压信号： 此时输出电压与气隙间隔呈非线性关系 当 很小时，可认为输出是近似线性的 测量电路 单个自感传感器的缺点：由于磁场的存在，使得衔铁受到单向电磁力的作用，必然会引入一定的位移误差 测量电路 因此，与第一章中的电阻式传感器类似，在测量电路中常采用差动电桥形式，将电感转换为电压输出。这里需要的是交流电桥 有两种交流电桥： 普通交流电桥 变压器式交流电桥 交流电桥测量电路 普通交流电桥结构： 采用两个对称的自感传感器共用一个衔铁，其电感L1,L2作为电桥上的两个相邻桥臂 交流电桥测量电路 普通交流电桥结构： 当衔铁移动时，分别在两个电感上产生大小相等、方向相反的气隙间隔变化，进而引起电感量产生差动变化。接下来定量分析电感变化 交流电桥测量电路 初始时，衔铁处于中间位置： 两个平衡电阻相等，电桥平衡，输出电压： 交流电桥测量电路 当气隙间隔变化为 时，分析单个电感的变化： 可得电感的相对变化： 交流电桥测量电路 电感的相对变化： 由于 ，利用 ，可得： 交流电桥测量电路 假设衔铁上移，L1的气隙间隔减小，L2的气息间隔增大，变化量相同，则： 交流电桥测量电路 双臂工作的交流电桥的输出电压为： 交流电桥测量电路 可见，交流电桥输出电压与位移成近似线性关系 上述分析要求电感线圈的Q值较大，线圈才能简化为电感，否则受到铜损电阻影响，输出存在非线性。一般要求： 交流电桥测量电路 变压器式交流电桥形式：