1、传感器技术及应用 机械09,20112012第二学期 2012年2月,第3章 变磁阻式传感器1,本课内容： 工作原理传感器线圈的电器参数分析 自感式传感器类型、结构、应用,变磁阻式传感器电感式传感器,1、自感式 2、互感式,变磁阻（电感）式传感器工作原理,Rm,输出电量： 电压 V 电流A 频率 f,变磁阻式 传感器,测量电路,应用： 常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。,3.1 传感器线圈的电气参数分析,式中： M磁通量； W线圈的匝数, S截面积 B磁场强度 I线圈中电流,0真空中磁导率 l螺线管长度,1、通电线圈的磁通量,2、安培定律,1）空心线圈,式中：铁芯材料的磁导率
2、 l铁芯长度,2）铁芯线圈,3、线圈的电感量L,4、磁路中的磁阻Rm,l 磁路长度，S磁路截面积， 材料的磁导率,1）单一材料导磁体：,2）具有可变气隙的铁芯线圈,（1）闭合磁路：RmRF RF导体总磁阻 （2）具有小气隙：RmR1R2R RR1铁心2磁阻、 R2衔铁3磁阻、 有：Rm R,3.2 自感式传感器 3.2.1 常用的自感式传感器工作原理,按几何参数变化形式：变气隙式、变面积式、螺管式 按组成方式： 差动式,1. 变气隙式自感传感器,工作原理： 1) 保持铁心、衔铁材料、结构、线圈匝数不变， 2) 保持气隙磁通面积S不便， 则电感 L 是气隙总长 l 的单值函数,变隙式自感式传感器
3、输入输出特性为非线性,衔铁与铁心间的气隙长度 气隙变化量，即测量范围 l 气隙总长 l =2 传感器的灵敏度：,灵敏度K0与气隙 成反比,变隙式自感式传感器适于测量微小的位移量 为保证一定的测量范围和线性度取： 0. 10.5 mm =(1/51/10) ,2. 变面积式自感传感器,1）传感器的气隙长度l 保持不变 2）气隙磁通截面积S随被测非电量而变,变面积式自感传感器输入输出特性,变面积式特点： （1）线性度 忽略气隙磁通边缘效应条件下，输出特性呈线性，可得到较大的线性范围。 （2）灵敏度 与变气隙式相比，灵敏度较低。,传感器的灵敏度,3、螺管式自感传感器,螺管式自感传感器灵敏度较低,主磁
4、通近似不变，灵敏度为：,4. 差动式电感传感器（图3-7）,(a) 结构原理图； (b) 电路接线图,差动连接时，气隙相对变化量的偶次项被消除,非线性得到改善 且灵敏度提高一倍。,（341）,3.2.2 测量电路,一、LR电路分析 1、纯电感元件的电压,电感线圈的电压与电流正交，电感不消耗功率 纯电感的阻抗,2、有导线电阻r时，电感的阻抗,3、电感线圈的品质因数,二、电桥电路输出端对称电桥,1、两线圈阻抗：,其中两线圈初始电阻相等,另外两个桥臂为纯电阻桥臂：Z3Z4R,2、输出电压：,3.2.3 自感式传感器的误差及改善措施,输出特性的非线性采用差动结构改善 2. 零位误差：当衔铁位于中间位置
5、时，实际输出电压不为零，出现零点残余电压。采用补偿电路消除零位误差。 3。激励电源的影响,提高激励电源的频率,应用举例 1.变磁阻式传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,2.变磁阻式传感器的应用,变隙式差动电感压力传感器,3.变磁阻式传感器的应用,钢厂粉尘料仓自感式料位数字传感器 1.结构,工作原理,粉尘未到达线圈时的电感L1W2/Rm1 粉尘未到达线圈时的电感L2W2/Rm2 空气隙磁阻Rm1铁磁粉尘磁阻 Rm2 , 即：料位到达前自感L1料位到达后自感L2 根据电路理论有：di/dt=v/L 通过采集自感电流的变化幅度陡变这一开关量，从而判断物料的位置；,特点,1. 单线圈气隙式自感传
6、感器线性度不好，在实际工程中是不能应用的；在这里，通过自感电流的变化幅度陡变这一特点采集其开关量，从而判断物料的位置； 2. 在一根连接杆上可以安装数个单线圈，来达到数字式报警料位的目的，性能稳定可靠,使用经验：,在实验中发现在料位到达和未到达自感传感器时，其自感电流相差5倍之多 应用单片机控制单线圈在料位到达时断电，卸料后恢复通电，既去除铁芯磁性，又可避免单线圈发热 在设计中选用高性能漆包线，对自感线圈进行散热设计，所以，线圈在1000C 高温环境下仍能正常工作，因而自感式料位数字传感器可正常工作于环境较恶劣的工况,4.高速磁悬浮列车测速定位系统,由于磁悬浮轨道上有强大的电磁场，只有电感式和
7、电涡流式的传感器比较适用,平面线圈结构的电感式传感器,自感电感式传感器线圈的电感为：,方形平面线圈结构，与齿槽同宽,列车运行时，悬浮气隙基本保持在 10 mm左右,探头线圈移动时，与定子齿面(或槽面)的相对面积发生变化，构成变面积式自感传感器,电感改变量L与磁路截面积的改变量s为线性关系,差动连接的传感器探头线圈,当一个线圈位于齿面上方电感量为最大值时，另一个线圈则位于槽面上方电感量为最小值,传感器的输出波形,列车行驶时，传感器输出的正弦信号的周期随运行速度的变化而变化 列车“静止一运行一停车”运行过程中的输出波形,5.交通管理中的地感线圈应用,实际上在路口的摄像头拍照驾驶员闯红灯可以通过许多种技术实现，在采用感应线圈触发拍照时，在道路施工时，在路面下埋有感应线圈，当有车闯红灯时，感应线圈启动电子快门拍照。,超速照相,电子警察系统,End,
