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变磁阻式传感器的种类和工作原理

发布日期:2017-12-05 09:15:25 【关闭】
摘要:变磁阻式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的传感器。

   变磁阻式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的传感器。

   一、变磁阻式传感器的种类和工作原理

   1.电感式传感器

   由电工原理,线圈的电感值L 可按下式计算:

gooxian-电感值

   在一般情况下,磁路是由空隙、铁芯和衔铁构成,如图4.6所示,只要改变磁路中气隙的大小就能改变磁路的总磁阻,也就改变了电感L。因此测定电感L 的变换,就能精确测定气隙的长度或衔铁的位量。

   对于如图4.6所示最简单的电感式传感器,磁路磁阻为

Rm =RF +Rδ        (4.15)

   式中 RF——— 铁芯与衔铁磁阻;

           Rδ——— 空气隙磁阻。

    由于电感传感器用的导磁材料一般都工作在非饱和状态下,其导磁率μ远大于空气的导磁率μ0,故RF Rδ,所以一般常将铁芯磁阻RF 忽略不计。Rδ 可由下式求出

 

gooxian-电感传感器公式

  

   从式(4.17)可以看出,线圈匝数 N 确定后,只要气隙长度δ和气隙截面二者之一发生变化,电感传感器的电感量均会随之变化。前者可用于测量线位移,后者可用于测量角位移。

   从式(4.17)可以很清楚地看出,电感L和气隙长度δ是非线性的。因此,当测量位移时,为了得到 较 好 的 线 性 特 性,必 须 把 衔 铁 的 工 作 位 移 限 制 在 较 小 的 范 围 内,一 般 取 Δδ = (0.1~0.2)δ。

   为了减小非线性,增加线性区域,常将两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁构成差动式电感传感器,如图4.7所示。传感器的两只电感线圈接成交流电桥相邻的两臂,另外两个桥臂由电阻组成。

  

gooxian-差动式电感传感器原理图

   2.差动变压器式传感器

   差动变压器式传感器,简称差动变压器,图4.8为其原理图。它的结构与前述差动电感传感器完全一样,也是由铁芯、衔铁和线圈三个主要部分组成,其不同仅在于:差动变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈(N11 和N12)和一个次级线圈(N21 和N22),衔铁置于两铁芯中间。上下两只初级线圈串联后接交流激磁电压usr,两只次级线圈接成差动形式,可动衔铁和待测物相连,可动衔铁的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化,从而得到待测位移。

gooxian-差动变压器式传感器原理图

    由于互感,初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势e21 和e22,又因接成差动形式,即两个感应电动势反向串联,则输出电压

usc =e21 -e22

   设两个次级线圈完全相同,当衔铁处在中间位置时,线圈 N11 和 N12 所产生的交变磁通在线圈 N11 和 N12 中产生交流感应电压。由于两边气隙相等,磁阻相等,互感相等,因此感应电动势e21 =e22,此时输出电压usc =e21 -e22 =0。当衔铁偏离中间位置时,两边气隙不等,初次级两线圈之间的互感 M 发生变化,次级线圈中感应电势不再相等,即e21 ≠e22,便有电压usc 输出,usc 的大小和符号反映了衔铁位移的大小和方向。这就是差动变压器的基本工作原理。

   差动变压器有多种结构形式。图4.8所示为Π形结构,衔铁为平板形,灵敏度较高,但测量范围较窄,一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。此外,还有衔铁为圆柱形的螺管形差动变压器,可测1mm 至上百毫米的位移。

   3.电涡流式传感器

   电涡流式传感器的工作原理可以用图4.9来说明。在图4.9中,一块金属被测导体放置在一个扁平线圈邻近,但互不接触。当线圈中通以高频正弦交流电流时,线圈周围空间就产生交变磁场 H1,图4.9中箭头表示线圈中电流的正方向与磁场 H1 的正方向。交变磁场 H1 通过邻近金属导体,就会在导体上产生电涡流,而此电涡流也将产生一个新的交变磁场 H2,且 H2 的方向与 H1 的方向相反,力图削弱原磁场 H1。当 H1 为规定正方向(向下)时,H2 为负方向(向上)。由于磁场 H2 的反作用使通电线圈中电流大小和相位都发生变化,也就使线圈的有效阻抗变化。线圈阻抗的变化与金属导体的电导率(1/ρ)、磁导率(μ)、几何尺寸(r)、激磁电流(I)、角频率(ω)以及线圈到金属导体的距离(x)等有关。如果只改变其中的一个参数,则阻抗的相应变化就是这个参数的单值函数。常用的电涡流测距传感器,保持1/ρ,μ,r,I,ω 不变,使阻抗Z 仅是距离x 的单值函数。因此,电涡流传感器是通过测定线圈阻抗的变化来测定涡流载体的

 

gooxian-电涡流式传感器原理图

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