1、1會計學(xué)ap6變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2氣隙磁通第2頁/共139頁3SlRFmF導(dǎo)磁體磁阻：l: 磁路長度磁路長度 S: 磁路橫截面磁路橫截面導(dǎo)體導(dǎo)磁率導(dǎo)體導(dǎo)磁率F（10-3H/m量級）量級）空氣導(dǎo)磁率空氣導(dǎo)磁率0 =410-7H/m亨利）磁導(dǎo)：(1mFRG SRm0空氣磁阻：第3頁/共139頁4l1/A1l2/A2l3/A3G1G2G32111GGG113113GGGGG第4頁/共139頁5線圈電感線圈電感：由磁路歐姆定律由磁路歐姆定律，磁通磁通定義為定義為：IWILnimiRIW1其中：其中：L:線圈電感；線圈電感；：磁通；：磁通；W:線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)； I:線圈電流；線圈電流；Rm

2、i:第第i段磁路磁阻段磁路磁阻磁鏈定義為磁鏈定義為： W磁勢磁勢：RuWI磁壓降磁阻第5頁/共139頁6按結(jié)構(gòu)分類：按結(jié)構(gòu)分類：氣隙式電感傳感器（是一種閉磁路結(jié)構(gòu)形式）氣隙式電感傳感器（是一種閉磁路結(jié)構(gòu)形式）螺管式電感傳感器（是一種開磁路結(jié)構(gòu)形式）螺管式電感傳感器（是一種開磁路結(jié)構(gòu)形式）第6頁/共139頁7l2S2S1線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵Usr第7頁/共139頁8第8頁/共139頁9）（線圈的電感：HIWLW: :線圈的匝數(shù)線圈的匝數(shù) I: :線圈中的電流線圈中的電流 ：磁路磁通：磁路磁通 RM: :磁路總磁阻磁路總磁阻MRWI RslRiiiiMSR02MRWL2為何是2？第9頁/共13

3、9頁10mFRR 當線圈匝數(shù)為常數(shù)時當線圈匝數(shù)為常數(shù)時, 電感電感L僅僅是磁路中磁阻僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)的函數(shù), 只要改變只要改變或或S均可導(dǎo)致電感變化均可導(dǎo)致電感變化, 因此變磁阻式傳感器又因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積的傳感器。使的傳感器和變氣隙面積的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。202SWLGWRWL22第10頁/共139頁11向上移動：向上移動： 0)(2002SWL)(000LLLL2000000)(1/11LL向下移動：向下移動： 0)(2002SWL)(000LLLL2000000

4、)(1/11LLL0L0-+L1-L2第11頁/共139頁12提示提示：當有兩個鐵芯，并采用差動結(jié)構(gòu)時：當有兩個鐵芯，并采用差動結(jié)構(gòu)時：20000001)(1)/11(LL20000002)(1)/11(LL2000201)(12LLLL結(jié)論：靈敏度提高，非線性減小。第12頁/共139頁13特點特點:與變間隙電容相似。與變間隙電容相似。第13頁/共139頁14ReRhRcCL銅損電阻（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 ）; ;磁滯損耗電阻（磁滯損耗電阻（ R Rh h ）; ;寄生電容（寄生電容（C）. .24dWlRcpccLptRe2

5、6L Lcpcp：每匝線圈平均長度：每匝線圈平均長度；d d：導(dǎo)線的直徑。：導(dǎo)線的直徑。t t：鐵芯厚度；：鐵芯厚度；p p：渦流穿透深度：渦流穿透深度第14頁/共139頁15ReRcLLReRc2211eeeeeeRLLjLRRLjRLjRLjR12LRRReee2)(11LRLLe鐵損的串聯(lián)等效鐵損的串聯(lián)等效電阻電阻Re比比Re小小；L比比L小。小。分析討論：分析討論：第15頁/共139頁16減小對減小對L的影響的措施的影響的措施：減小鐵損的具體辦法：減小鐵損的具體辦法：1）鐵芯采用迭片式結(jié)構(gòu)）鐵芯采用迭片式結(jié)構(gòu)2）采用電阻率大的鐵氧材料）采用電阻率大的鐵氧材料增大增大Re 增大增大(Re

6、 / l) 減小減小Re ReA-整流整流-低通濾波低通濾波-去去直流分量直流分量-復(fù)現(xiàn)原調(diào)制信號。復(fù)現(xiàn)原調(diào)制信號。解調(diào)電路解調(diào)電路：技術(shù)路線：技術(shù)路線：第74頁/共139頁75abcd第75頁/共139頁76第76頁/共139頁77第77頁/共139頁78第78頁/共139頁79ioUU0,iU當?shù)?9頁/共139頁80ioUU0,iU當?shù)?0頁/共139頁811.討論兩半波整流器的輸入信號特點。2.討論兩半波整流器的輸出信號特點。3.加法器的作用相敏。見黑板！第81頁/共139頁82第82頁/共139頁83低頻高頻第83頁/共139頁84一階低通濾波器的波特圖第84頁/共139頁85設(shè)差動

7、電感傳感器的線圈阻抗分別為設(shè)差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和和Z2Z2。當銜鐵處于中間位置時，。當銜鐵處于中間位置時，Z1Z1= =Z2Z2= =Z Z，電橋處于平，電橋處于平衡狀態(tài)，衡狀態(tài)，C C點電位等于點電位等于D D點電位，電表指示為零。點電位，電表指示為零。 以差動電感為例說明相敏整流電路的原理：第85頁/共139頁86當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1Z1= =Z+Z+Z Z，則下部線圈阻抗減，則下部線圈阻抗減少，少，Z2Z2= =Z-Z-Z Z。如果輸入交流電壓為正半周，則。如果輸入交流電壓為正半周，則A A點電位為正，點電位為正，B B點點電位

8、為負，二極管電位為負，二極管V1V1、V4V4導(dǎo)通，導(dǎo)通，V2V2、V3V3截止。在截止。在A-E-C-BA-E-C-B支路中，支路中，C C點電位由于點電位由于Z1Z1增大而比平衡時的增大而比平衡時的C C點電位降低；而在點電位降低；而在A-F-D-BA-F-D-B支中中支中中，D D點電位由于點電位由于Z2Z2的降低而比平衡時的降低而比平衡時D D點的電位增高，所以點的電位增高，所以D D點電位點電位高于高于C C點電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。點電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。如果輸入交流電壓為負半周，如果輸入交流電壓為負半周，A A點電位為負，點電位為負，B B點電位為正，二極點電位為正，二極管

9、管V2V2、V3V3導(dǎo)通，導(dǎo)通，V1V1、V4V4截止，則在截止，則在A-F-C-BA-F-C-B支中中，支中中，C C點電位由于點電位由于Z2Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B B點電位點電位為正，為正，A A點電位為負，點電位為負，C C點相對于點相對于B B點為負電位，點為負電位，Z2Z2減少時，減少時，C C點電位點電位更負）；而在更負）；而在A-E-D-BA-E-D-B支路中，支路中，D D點電位由于點電位由于Z1Z1的增加而比平衡時的的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是電位增高，所以仍然是D D點電位高于點電

10、位高于C C點電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。點電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出同樣可以得出結(jié)果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負。為負。可見采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號既能反映位移大小又可見采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號既能反映位移大小又能反映位移的方向。能反映位移的方向。 第86頁/共139頁87第87頁/共139頁88L1增大， L2增大。第88頁/共139頁89L2增大， L1增大。第89頁/共139頁90第90頁/共139頁91MSC710是一個單通道是一個單通道LVDT傳感器。由于嚴實、牢固的傳感器。由于嚴實、牢固的結(jié)構(gòu)，它不

11、僅能在實驗室也能在工業(yè)中應(yīng)用。安裝、操結(jié)構(gòu)，它不僅能在實驗室也能在工業(yè)中應(yīng)用。安裝、操作簡單。作簡單。應(yīng)用應(yīng)用 為工業(yè)部門產(chǎn)品和實驗室而設(shè)計的測量和檢測設(shè)備。為工業(yè)部門產(chǎn)品和實驗室而設(shè)計的測量和檢測設(shè)備。-公差質(zhì)量控制；公差質(zhì)量控制；-高度尺寸檢測；高度尺寸檢測；-試驗臺、試驗站；試驗臺、試驗站；-流動試驗車。流動試驗車。第91頁/共139頁92銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。第92頁/共139頁93左圖所示差動變

12、壓器式力傳感器：左圖所示差動變壓器式力傳感器：外力作用下，變形使差動變壓器的外力作用下，變形使差動變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號。電信號。第93頁/共139頁94第94頁/共139頁95第95頁/共139頁96電渦流傳感器采用的是感應(yīng)電電渦流傳感器采用的是感應(yīng)電渦流原理。渦流原理。當帶有高頻電流的線圈靠近被當帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時，線圈上的高頻電流所測金屬時，線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場便在金屬表面產(chǎn)生的高頻電磁場便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁學(xué)上稱之上產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁學(xué)上稱之為電渦流。為電渦流。電渦流效應(yīng)與被測金屬間的距電渦流效

13、應(yīng)與被測金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率等何形狀、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過電路可將被測金參數(shù)有關(guān)。通過電路可將被測金屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。電渦流傳感器就是根據(jù)這一原電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。等參數(shù)的測量。第96頁/共139頁97),(xfIrfZ: :電阻率；電阻率；:導(dǎo)磁率；導(dǎo)磁率；r r：線圈半徑等幾：線圈半徑等幾何尺寸；何尺寸；I:I:線圈電流；線圈電流；f:f:頻率；頻率；X:X:距離。距離。第97頁/共139頁9

14、802222121111LjIRIMjIUMjILjIRIsrUsrR1L1R2L2I1I2M第98頁/共139頁9922222221222222211)()(LLRMLjRLRMRUIsr1IUZsr線圈等效阻抗：2222222122222221)()(LLRMLjRLRMRZ122222221)(LLRMLLL線圈等效電感：線圈等效電感：第99頁/共139頁10022222212222222120)(1)(1LRMRRLRMLLQQ0222212222212011QZMRRZMLLQQ或：110RLQ無渦流影響時線圈的Q值第100頁/共139頁101第101頁/共139頁102第102頁/

15、共139頁103結(jié)論：渦流密度在線圈外徑處最大；范圍隨外徑變化；在r1.8ras處，渦流衰減為最大值的5。11電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線J0最大電渦流密度第103頁/共139頁104hzdeJJ/0處離表面的距離電渦流強度為表面的eh/1:z深度電流密度表面電流密度貫穿深度與頻率有關(guān)，頻率低，深度深。貫穿深度與頻率有關(guān)，頻率低，深度深。第104頁/共139頁105xrasras分布范圍大分布范圍大變化梯度小變化梯度小線性范圍大線性范圍大靈敏度小靈敏度小ras與上相反與上相反BP：軸向磁感應(yīng)強度ras大ras小x/rasBP磁感應(yīng)強度沿軸向分布第105頁/共139頁106第106頁/共139

16、頁107QZLMX,采用了最采用了最常用的結(jié)常用的結(jié)構(gòu)形式構(gòu)形式高頻反射高頻反射式結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu).第107頁/共139頁108渦流探頭外形結(jié)構(gòu)及應(yīng)用第108頁/共139頁109被測參數(shù)變化品質(zhì)因數(shù)Q較少使用等效阻抗Z交流電橋等效電感L諧振電路諧振電路調(diào)幅電路調(diào)頻電路第109頁/共139頁110原理：線圈電感原理：線圈電感 L與固定電容與固定電容C組成諧振回路，組成諧振回路，當激振頻率與諧振頻率相等時，當激振頻率與諧振頻率相等時，LC回路的阻回路的阻抗最大；由于渦流使得抗最大；由于渦流使得L變化時，諧振頻率變變化時，諧振頻率變化，等效阻抗變化。化，等效阻抗變化。振蕩器f0放大檢波濾波LRCUSC等效

17、電阻第110頁/共139頁111LCf21LC諧振頻率為：LC1等效阻抗：R-等效電阻，對靈敏度有影響；0-激勵頻率。CLjRLjRCjZ000011由于激勵頻率很高，故：由于激勵頻率很高，故：CLjRCLCLjRLjCjZ000000111第111頁/共139頁11220011RCRLRCLZCLjRCLZ001等效阻抗：LC1LC2120201RLRLRCLZ20201RLRCL第112頁/共139頁1130失諧頻偏：ZIU0020200001RLRCLIZIU20)2(1RLRCLI第113頁/共139頁114fZf0f1f2f3Z0Z1Z2Z3R0R1R2L1L2L3Q0Q1Q2Q3f

18、0f1f2f3對非磁性材料，諧振頻率右移；對非磁性材料，諧振頻率右移；對磁性材料，諧振頻率左移。對磁性材料，諧振頻率左移。渦流增大方向渦流增大方向RCLZmaxLC1第114頁/共139頁115最大輸出：CRLIU1100第115頁/共139頁116第116頁/共139頁117fUf0f1f2頻率始終等于諧振頻率，幅值始終為諧振曲線峰值頻率始終等于諧振頻率，幅值始終為諧振曲線峰值2、調(diào)頻測量電路、調(diào)頻測量電路-調(diào)頻鑒幅式調(diào)頻鑒幅式CLfo121CRLIU110第117頁/共139頁118放大限幅鑒頻濾波XU鑒頻器將振蕩的頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號。鑒頻器將振蕩的頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號。第1

19、18頁/共139頁119將傳感器線圈與電容將傳感器線圈與電容組成組成LC并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路,諧振頻率為：諧振頻率為： 傳感器傳感器( (電感）的變化使調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化，在小電感）的變化使調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化，在小范圍內(nèi)，振蕩頻率與被測量的變化呈線性關(guān)系。且諧振時回路的等效范圍內(nèi)，振蕩頻率與被測量的變化呈線性關(guān)系。且諧振時回路的等效阻抗最大。阻抗最大。當電感當電感L L發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L L的變化而的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法變化，因此可以利用測量回路阻抗

20、的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。間接測出傳感器的被測值。LCf21第119頁/共139頁120第120頁/共139頁121第121頁/共139頁122 相對軸位移相對軸位移指的是軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之間在軸向的距指的是軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之間在軸向的距離變化。離變化。 軸向推力軸承用來承受機器中的軸向力，它要求在導(dǎo)向盤軸向推力軸承用來承受機器中的軸向力，它要求在導(dǎo)向盤和軸承之間有一定的間隙以便能夠形成承載油膜。一般汽輪和軸承之間有一定的間隙以便能夠形成承載油膜。一般汽輪機在機在0.20.3mm之間，壓縮機組在之間，壓縮機組在0.40.6mm之間。如果之間。如果小于這些間隙

21、，軸承就會受到損壞，嚴重的導(dǎo)致整個機器損小于這些間隙，軸承就會受到損壞，嚴重的導(dǎo)致整個機器損壞；因此需要監(jiān)測軸的相對位移以測量軸向推力軸承的磨損壞；因此需要監(jiān)測軸的相對位移以測量軸向推力軸承的磨損情況。情況。相對軸位移的測量相對軸位移的測量第122頁/共139頁123第123頁/共139頁124發(fā)射線圈發(fā)射線圈1 和接收線圈和接收線圈2分別放在被測材料分別放在被測材料G的上下的上下低頻低頻(音頻范圍音頻范圍)電壓電壓e1 加到線圈加到線圈1 的兩端后，在周圍空的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材料間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材料G中產(chǎn)生渦流中產(chǎn)生渦流 ，此渦流，此渦流損耗了部分能量，使

22、貫穿損耗了部分能量，使貫穿2的磁力線減少，從而使的磁力線減少，從而使2產(chǎn)生產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的感應(yīng)電勢e2 減小。減小。e2 的大小與的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實驗與理論證明，的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實驗與理論證明，e2 隨材料厚度隨材料厚度h增加按負指數(shù)規(guī)律減小。增加按負指數(shù)規(guī)律減小。第124頁/共139頁125第125頁/共139頁126第126頁/共139頁127作業(yè)：作業(yè)：61、65第127頁/共139頁128自感式自感式(變磁阻式變磁阻式)傳感器傳感器2022sNRNLm直線線性變面積式雙曲線非線性變隙式),(,)(,sfLfL互感式傳感器互感式傳感器ibaibiabaIMMjIMj

23、IMjeeU2202121212102LrMULrUMMUbaxfrfZ,變隙式變隙式螺線管式螺線管式電渦流式電渦流式第128頁/共139頁129交流電橋交流電橋0000022LULK1.靈敏度是單線圈式的兩倍靈敏度是單線圈式的兩倍2.線性度得到明顯改善線性度得到明顯改善變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋ULLUZZU21210輸出指示無法判斷位移方向輸出指示無法判斷位移方向差動整流電路差動整流電路結(jié)構(gòu)簡單，不需考慮相位調(diào)整，結(jié)構(gòu)簡單，不需考慮相位調(diào)整，消除了零點殘余電壓消除了零點殘余電壓相敏檢波電路相敏檢波電路輸出不僅反映了位移的大小而且反映了位輸出不僅反映了位移的大小而且反映了位移的方向移的

24、方向調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路第129頁/共139頁130第130頁/共139頁131已知一差動整流電橋電路如圖所示。電路由差動電感傳感器已知一差動整流電橋電路如圖所示。電路由差動電感傳感器Z1、Z2及平衡電阻及平衡電阻R1、R2(R1R2)組成。橋路的一個對角接有交流電組成。橋路的一個對角接有交流電源源Ui，另一個對角線為輸出端，另一個對角線為輸出端U0。試分析該電路的工作原理。試分析該電路的工作原理。第131頁/共139頁132)1(00101CwLwjRjwRCLZLC回路的等效阻抗：)1(001CwLwjRCLZ21010)1(1CRwRLwCLZ第132頁/共139頁133202011)(1wwwRLCRLZ211)2(1wRLCRLZwww0失諧頻偏：211000)2(1wRLCRLIZIU第133頁/共139頁134第134頁/共139頁135第135頁/共139頁136用于小位移的差動相敏檢波電路的工作原理用于小位移的差動相敏檢波電路的工作原理當沒有