任务3 变磁阻式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务3 变磁阻式传感器 任务导航 变磁阻式传感器是利用被测量的变化使线圈电感量发生改变这一物理现象来实现测量的。 根据工作原理的不同，变磁阻式传感器可分为自感式传感器、变压器式传感器、电涡流传感器等几种，而自感式传感器和互感式传感器又统称为电感式传感器。根据被测量所改变传感器的参数不同，又分为变间隙式、变面积式和螺丝管式。 学习目标 1.知识目标 （1）知道自感式传感器、变压器式传感器、电涡流式传感器的工作原理及特点； （2）理解自感式传感器、变压器式传感器、电涡流式传感器的的测量电路； （3）了解自感式传感器、变压器式传感器、电涡流式传感器的分类及应用。 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）会计算传感器的非线性误差及灵敏度； （5）能够正确按照电路要求对应变磁阻式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 3.1 自感式传感器 3.1.1 基本自感式传感器 1.工作原理 基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，结构如图3.1所示。 电感式传感器又可分为变气隙长度的传感器和变气隙面积的传感器。前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。 2．灵敏度 变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较准确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。灵敏度K为 图3.1 变间隙自感式传感器 3.1.2 差动变间隙式传感器 差动变间隙式电感传感器采用两个相同的传感器共用一个衔铁组成。电感相对变化量的灵敏度K为 单线圈式和差动式两种变间隙式电感传感器的特性比较： ① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍； ② 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以因子，因为，所以，差动式的线性度得到明显改善。 3.1.3 螺管型电感式传感器 螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化，线圈电感量的大小与衔铁位置有关。 图3.3 螺管型电感式传感器 图3.2 差动变间隙式电感传感器 3.1.4 测量电路 1．电阻平衡臂电桥 当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。 K 称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵敏度。K的物理意义是：衔铁单位移动量引起的电桥输出电压。K值越大，灵敏度越高。 2．交流变压器式电桥 衔铁上移时， 衔铁下移时， 由于输出Uo是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。 图3.4 电阻平衡臂电桥电路 图3.5 变压器式交流电桥测量电路 3．调幅电路 当传感器线圈电量变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在同一频率的纵坐标直线上移动（如移至B点），于是输出电压的幅值就发生相应的变化。 4．调频电路 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。 图3.7 调频电路 图3.6 谐振电路 3.2 变压器式传感器 3.2.1 螺线管式差动变压器 螺线管式差动变压器由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。 等效电路如图3.9所示，其中U1、I1为初级线圈激励电压与电流（频率为w ）；L1、R1为初级线圈电感与电阻；M1、M2分别为初级线圈与次级线圈1、2间的互感；L21、L22和R21、R22分别为两个次级线圈的电感和电阻。 在负载开路情况下，输出电压为 由于在一定的范围内，互感的变化D M与位移x成正比，所以的变化与位移的变化成正比。 图3.8 螺线管式差动变压器 图3.9 等效电路 实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。特性曲线如图3.10所示。 图3.10 零点残余电动势 零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。 为了减小零点残余电动势，可采用以下方法： ① 尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 ② 选用合适的测量电路。 ③ 采用补偿线路减小零点残余