第03章 变磁阻式传感器
第3章 变磁阻式传感器
测量电路系统
相敏检波器的实用电路：请参照书上说明 自习
变气隙式自感传感器
变气隙式自感传感器的缺点：
• 为了保证一定的线性以及较高的灵敏度， 可测的位移范围 很窄，一般是毫米级 以下的微小位移
0.1 ~ 0.5mm, (1/ 5 ~ 1/10)
复习
变气隙式自感传感器的测量电路：双臂工 作的差动交流电桥
r 为铁芯相对磁导率
变气隙式自感传感器
L
0W S
2
2
r
lm
可见，电感与气隙间隔是非线性关系
变气隙式自感传感器
L
0W 2 S
2
r
lm
可得其灵敏度： 2 20W S dL lm 2 d (2 ) r
• 可见，要想得到较高的灵敏度，气隙间隔 要 小，一般 0.1 ~ 0.5mm
交流电桥测量电路
交流电桥测量电路的优点：
• 除了具有一般差动电桥的优点以外（减小了非 线性、提高了灵敏度、消除了共模干扰），由 于两个对称自感传感器共用一个衔铁，衔铁所 受的电磁力基本平衡，减小了位移误差，克服 了单个自感传感器的缺点。
测量电路系统
变磁阻式传感器除了采用交流电桥将电感 转化为电压输出以外，还需要其他一些功 能，因此，需要一个完整的测量电路系统
测量电路系统
相敏检波器简介：
U Uo 2 0
• 当 为正（衔铁向上移动），电桥输出电压 U o 与电源电压 U 同相位 • 当 为负（衔铁向下移动），电桥输出电压 U o 与电源电压 U 反相（相位相差180）
测量电路系统
相敏检波器以电源电压作为参考电压，通 过电路实现电桥输出电压与电源电压相位 的比较，使得检波后用输出电压的正负来 表示衔铁的运动方向。输出电压信号的形 式如下：
第3章变磁阻式传感器
第3章变磁阻式传感器
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简要回顾第二章的主要内容
第一节 电阻应变计的工作原理与结构 第二节 电阻应变片的类型和材料 第三节 电阻应变计的主要特性 第四节 电阻应变计的测量电路（转换电路） 第五节 电阻应变计的温度误差及补偿 第六节 电阻应变计的应用
第3章变磁阻式传感器
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新 课
第一节 传感器线圈的电气参数分析
一、线圈电感L 三、涡流损耗电阻Re
二、铜损电阻Rc 四、磁滞损耗电阻Rh
五、并联寄生电容C
第二节 自感式传感器Leabharlann 一、工作原理 二、结构形式
三、测量电路 四、误差分析 五、应用
第3章变磁阻式传感器
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第一节 传感器线圈的电气参数分析
Rc Rh Re
Z S(1 R 2L C )2j(1 L 2L C )R Sj L S
有效Q值为 Q SL S/R S (1 2 L C )Q
电感的相对变化 dS/L L S 1 /1 (2L C )d L /L
第3章变磁阻式传感器
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由上可知，并联电容C的存在，使有效串联损耗 电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感 的相对变化增加，即灵敏度提高。故，从原理来讲， 按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重 新校正或采用并联电容加以调整。
线圈的品质因数
Qe L/Re
涡流损耗引起的耗散因数
De1/QeCef
第3章变磁阻式传感器
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4、磁滞损耗电阻Rh 传感器通常工作在小激励电流与弱磁场状态，磁滞损耗功率可
按下式计算：
Ph 34a0SlHm 3 f
磁滞耗散因数
L
Dh
Rh
第03章 变磁阻式传感器
而变，就可测得温度的变化。上述原理可
用来测量液体、气体介质温度或金属材料 的表面温度，适合于低温到常温的测量。
1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件
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感应式接近开关 Inductive Proximity sensors
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Structure 1. A coil on a ferrite core 2. An oscillator 3. A trigger-signal level detector 4. An output circuit.
2l Rm 0 r S 0S l
自感：磁链与回路电流的比值
U A I 1 2
W W L I I Rm W 2 0 S L l l r
2
3
L与l 成非线性关系。
5
变磁阻式传感器简介 变磁阻式传感器是将被测量转换成电感或互感变化的传感器。 按其转换方式的不同，可分为 •自感型 •互感型
(2)材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化；
(3)磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系 数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变 等造成。
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§3.3 互感式传感器 互感式传感器（Liner Variable Differential Transformer ） 简称LVDT 是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。 初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动 方式工作，因此又称为差动变压器。
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§3.3 电涡流式传感器 三.电涡流式传感器的应用 1.测位移
液位监控系统
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§3.3 电涡流式传感器 2.测厚度 板厚d＝D－（x+x2）。
变磁阻传感器工作原理
变磁阻传感器工作原理小伙伴们！今天咱们来唠唠变磁阻传感器这个超有趣的东西。
变磁阻传感器啊，就像是一个超级灵敏的小侦探，专门对磁阻的变化特别敏感呢。
那啥是磁阻呀？简单来说，磁阻就像是磁路中的小阻碍。
你可以想象成磁通量在磁路里走的时候，就像我们人在小路上走，如果路上有石头啊、树枝啥的，就会走得不太顺畅，磁通量也是这样，磁阻就是那些让它走得不顺畅的因素。
变磁阻传感器的核心部件呢，一般是有个铁芯之类的东西。
这个铁芯就像是磁通量的小窝，磁通量喜欢在它周围穿梭。
当有一些外界的情况发生变化的时候，比如说有个金属物体靠近了这个传感器。
哇塞，这时候就像平静的小池塘里丢进了一颗小石子，磁路就开始有变化啦。
金属物体它本身对磁场就会有影响呀，它可能会让磁通量改变自己的路径，就好像原本在大路上走得好好的磁通量，突然发现旁边开了一条小岔路，有一部分磁通量就会跑到这条新的岔路上去了。
这种磁通量的变化呢，就会让磁阻发生改变。
就像我们刚刚说的小路上的阻碍突然变多或者变少了。
那这个变化怎么被传感器知道呢？这时候啊，传感器里面还有一些小电路在发挥作用呢。
这些小电路就像是一群小耳朵，它们特别擅长听磁阻变化的消息。
当磁阻一变化，电路里的一些电学量，比如说电流或者电压就会跟着变化啦。
你看啊，这就像是一个连锁反应。
金属物体靠近导致磁路变化，磁路变化让磁阻改变，磁阻改变又让电路里的电学量变化。
然后呢，我们就可以通过检测这个电学量的变化，知道原来是有东西靠近了传感器。
是不是很神奇呀？而且哦，变磁阻传感器的应用超级广泛呢。
在汽车里，它就像一个小卫士。
比如说在检测汽车的速度的时候，车轮上可能会有一些小部件和变磁阻传感器配合。
车轮一转，就会有金属部件的位置变化，这就引起磁阻变化，然后就能知道车轮转得多快，进而算出汽车的速度啦。
在工业生产线上，它也特别厉害。
可以用来检测那些金属零件的位置或者有没有缺陷。
如果一个金属零件的形状或者材质有问题，它靠近传感器的时候，产生的磁阻变化就会和正常的不一样。
变磁阻传感器工作原理
变磁阻传感器工作原理
嘿！今天咱们来好好聊聊变磁阻传感器工作原理呀！
哎呀呀，这变磁阻传感器啊，那可真是个神奇的东西呢！你知道吗？它的工作原理其实并不复杂，但却有着大大的作用哇！
简单来说，变磁阻传感器是通过电磁感应的原理来工作的呀！当一个导体在磁场中运动时，就会产生感应电动势，这就是变磁阻传感器的基础原理呢！比如说，一个铁芯在磁场中移动，它的磁阻就会发生变化，从而引起电感量的改变，这是不是很奇妙呀？
哇！在实际应用中，变磁阻传感器能够精确地测量位移、速度、加速度等等物理量呢！它的灵敏度很高哦，能够捕捉到微小的变化呀！比如说在汽车工业中，它可以用来测量发动机的转速和位置，保障汽车的正常运行呢！
哎呀呀，再想想看，在航空航天领域，变磁阻传感器也大有用处哇！它可以帮助监测飞行器的各种参数，确保飞行的安全和稳定呢！
你是不是在想，为什么变磁阻传感器能有这么广泛的应用呢？这就得益于它的优点啦！它结构简单、成本低、可靠性高呀！而且它对环境的适应性也很强，在各种恶劣的条件下都能正常工作呢！
但是呢，使用变磁阻传感器也不是完全没有挑战的哦！比如说，它容易受到外界磁场的干扰呀，这就需要我们在设计和使用的时候特别小心，采取一些措施来减少干扰的影响呢！
总之呀，变磁阻传感器工作原理虽然看似简单，但其应用和影响却是非常广泛和深刻的呢！它在我们的生活和工业中发挥着不可或缺
的作用哇！你是不是也对它有了更深的了解和认识呢？。
习题参考答案3-变磁阻式传感器
浙江大学城市学院信息分院10192091 现代传感器技术赵梦恋，吴晓波 2008-2009学年冬学期2008年12月三、变磁阻式传感器（二）习 题3-1. 分别画出正负半周下二极管环形相敏检波电路的等效电路并据此说明其工作原理（如何反映衔铁运动的大小和方向）。
答:Z 1和Z 2为传感器两线圈的阻抗，Z 3＝Z 4构成另两个桥臂，U 为供电电压，U O 为输出。
如图(b)示。
当衔铁处于中间位置时，Z 1＝Z 2＝Z ，电桥平衡，U O ＝0。
若衔铁上移，Z 1增大，Z 2减小。
(1)如供电电压为正半周，即A 点电位高于B 点，二极管D 1、D 4导通，D 2、D 3截至，如图(a)示。
在A -E -C -B 中，C 点电位由于Z 1增大而降低；在A -F -D -B 支路中，D 点电位由于Z 2减少而增高。
因此D 点电位高于C 点，输出信号为正。
(2)如供电电压为负半周，即B 点电位高于A 点，二极管D 2、D 3导通，D 1、D 4截至，如图(b)示。
在B -C -F -A 中，C 点电位由于Z 2减少而降低；在B -D -E -A 支路中，D 点电位由于Z 1增大而增高。
因此D 点电位仍高于C 点，输出信号为正。
(c)O同理证明，衔铁下移时，输出信号总为负。
故输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。
O (b)3-2. 试推导差动变压器的输出电压与△M 之间的关系。
答：根据变压器原理，传感器输出电压为两次级线圈感应电势之差：()212212O U E E j M M I ω∙∙∙∙=-=--当衔铁在中间位置时，若两次级线圈参数与磁路尺寸相等，则12M M M ==，0O U ∙=。
当衔铁偏离中间位置时，12M M ≠，在差动工作时，有11M M M =+∆，22M M M =-∆。
在一定范围内，12M M M ∆=∆=，差值()12M M -与衔铁位移成比例，即 21222O U E E j M I ω∙∙∙∙=-=-∆。
变磁阻式传感器的工作原理
变磁阻式传感器的工作原理
嘿，咱就说说这变磁阻式传感器啥工作原理哈。
哎呀呀，这变磁阻式传感器听起来挺高深，其实也不难理解啦。
你想啊，这变磁阻式传感器就像个小侦探，专门探测磁场的变化呢。
它里面有个线圈，还有个铁芯啥的。
这线圈就像个小弹簧，铁芯就像个小铁棍。
当有磁场变化的时候，这个铁芯就会受到影响。
比如说，磁场变强了，铁芯就会被吸进去一点；磁场变弱了，铁芯就会弹出来一点。
哇，这就像有个小磁铁在拉着铁芯一样。
这个铁芯的移动呢，就会让线圈的电感发生变化。
电感是啥呢？哎呀，咱也别管那么多，反正就是线圈的一种特性啦。
电感变化了，就会产生电流或者电压的变化。
这就像咱拉弹簧的时候，弹簧会有不同的长度，这个长度的变化就会引起别的东西的变化。
然后呢，这个电流或者电压的变化就可以被测量出来啦。
通过测量这个变化，咱就能知道磁场的变化情况。
就像咱看温度计，通过温度计上的刻度变化，咱就能知道温度的变化。
比如说，要是有个东西靠近这个传感器，它的磁场就会影响传感器里面的磁场。
这时候，传感器就会感受到这个变化，然后把这个变化变成电信号传出来。
哇，这就像有个小间谍在报告情况一样。
而且啊，变磁阻式传感器还可以很灵敏呢。
只要磁场有一点点变化，它就能察觉到。
就像咱的耳朵很灵，能听到很小的声音一样。
哎呀，这变磁阻式传感器的工作原理虽然有点复杂，但其实也不难嘛。
有了它，咱就能探测到很多磁场的变化，可方便啦。
第3章变磁阻式传感器
信息与控制学院仪器系
3.2 自感式传感器
工作原理不输出特性
自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。
按磁路几何 参数变化形 式的丌同
按磁路的结 构型式
按组成方式
变气隙式
变面积式 螺管式
Ⅱ型
E型 罐型
单一式
差动式
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信息与控制学院仪器系
3.2 自感式传感器
1.变气隙式自感传感器
由于变气隙式传感器的气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均 匀的，若忽略磁路铁损，则传感器的磁路总磁阻为
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信息与控制学院仪器系
3.2 自感式传感器
差动式不单线圈电感式传感器相比
电磁吸力对测力变化的 影响也由于能相互抵消 而减小。 线性好；
1
4
对电源电压不频率的波 动及温度变化等外界影 响也有补偿作用，提高 了传感器的稳定性；
优点
2
灵敏度提高一倍，即衔 铁位秱相同时，输出信 号大一倍；
3
23
信息与控制学院仪器系
低，但线性范围大；磁路大部分为空气，易受外
部磁场干扰。 • 结构简单、制造容易，适用于较大位秱(数毫米) 特点 测量。 • 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈
匝数多，因而线圈分布电容大。
• 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
18
信息与控制学院仪器系
3.2 自感式传感器
24
信息与控制学院仪器系
3.2 自感式传感器
交流电桥作用：将传感器线圈电感的变化转换为电桥电路的 电压或电流输出 工作臂Z1和Z2:传感器的两个线圈
平衡臂R1和R2:纯电阻 衔铁上秱：
Z1 Z Z1 Z 2 Z Z 2 Z R j L0
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3
哪个是自感式，哪个是互感式？
1. 灵敏度有何特点？ 2. 线性度有何特点？
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LVDT的应用
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Operation 1. Generating an
electromagnetic field. 2. Metal object advances into
the field, eddy currents induced. 3. Loss of energy and a smaller amplitude of oscillation 4. The detector circuit then recognizes a specific change in amplitude and generates a signal which will turn the solid-state output “ON” or “OFF”
= −L lδ
1 + l / μr
lδ小 → 灵敏度高 为保证一定的测量范围与线性度，
常取δ＝lδ/2＝0.1～0.5ｍｍ， Δδ＝(0.1～0.2)δ。
8
2.4 变面积式自感传感器 lδ不变，磁通截面积S随被测非电量而变（衔铁水平移动）
L = W 2μ0 ⋅ S = K'S lδ + l / μr
2.2 气隙带铁芯线圈的自感
Rm
=
l μr μ0S
+
2δ μ0S
L = N 2μ0S l μr + 2δ
U A I 1 2
δ 3
7
2.3 变气隙式自感传感器
气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的
L = W 2μ0μeS = K
1
l
lδ + l / μr
K = μ0W 2 S
显著非线性
灵敏度
Kδ
=
dL dlδ
恒定灵敏度 K ' = W 2μ0 lδ + l / μr
忽略气隙磁通边缘效应 →
输出特性为线性 → 大线性范围。
灵敏度低于变气隙式。 欲提高灵敏度，需减小lδ，
9
2.5 螺管式自感传感器
衔铁插入深度变化 → 线圈路径磁阻变化 → 线圈电感变化
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2.6 差动式自感传感器 由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。
2.7.2 谐振电路 1) 线圈电感量变化＝》谐振曲线移动。 2) 激励源频率为f ,工作点在等频率的垂线上移动，
例如：B点移至A点，输出电压的幅值就发生相应变化。 1) 特点：灵敏度高，非线性严重。 用于单线圈自感式传感器，测量范围小或线性度不高场合。
(1)一般形式
(2)变压器电桥13
14
2.7.3 调频电路
22
Application - Positioning
24
4
Application - Positioning
转速测量
25
26
Security-Metal detection
27
28
Metal - detection
29
5
23
电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移 测量能转换成位移变化的其他参数： ⑴位移与尺寸 ⑵压力、流量 ⑶力和力矩 ⑷振动
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4、感应式传感器
4.1 感应式接近开关 Inductive Proximity sensors
z A coil on a ferrite core z An oscillator （LC） z A trigger-signal level detector z An output circuit.
第03章 变磁阻式传感器
1. 磁路基础 1.1 环形螺线管
d
2
1.2 通电直螺线管的磁场 螺线管长度L >> 直径R Hz的横截面分布近似均匀
3
1.3 含铁芯的磁路
横截面S
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
H
磁通Φ
4
1.3 含气隙的磁路
变磁阻式传感器简介
变磁阻式传感器是将被测量转换成电感或互感变化的传感 器。按其转换方式的不同，可分为
传感器线圈L变化→振荡器的输出频率变化
用阶梯形无骨架线圈，使衔铁位移变化与输出频差呈线性。 频率信号：抗干扰能力很强，电缆长度可达1km，特别适合 于野外现场使用。
图3.10 电感调频式位移传感器结构图
1.谐振电容；2.调频振荡器；3.电感线圈；4.磁性套筒；5.导杆(衔铁) 15
3. 互感式传感器（Liner Variable Differential Transformer ） 简称LVDT，差动变压器
例：Π型LVDT输出特性：
•
U0
=
•
−U
W1
W2
Δδ δ0
K = U 0 = U W2 Δδ δ 0 W1
δ为初始气隙；W1为初级线圈匝数；W2为次级线圈匝数； Δδ为衔铁上移量。
1. 输出电压U0与衔铁位移Δδ成比例，本质线性。 2. 灵敏度随电源电压U和变压比W2、W1的增大而提高，
随初始气隙减小而增大。
性能提高？
2.7 自感式传感器的测量电路 z 差动电桥电路 z 谐振电路 z 调频电路 z 相敏检波电路
11
12
2
2.7.1 电桥电路 自感式传感器常用的交流电桥有2种： 例：输出端对称电桥 (1) 一般形式：Z1、Z2为传感器两线圈阻抗 。 (2) 变压器电桥：以变压器两次级作为电桥平衡臂。
元件少，输出阻抗小，电桥开路时呈线性，应用较 广。
•自感型
•互感型
应用很广
测量: 力、力矩、压力、位移、速度、振动等参数
动态特性：静态测量或动态测量。
优点：
• 输出功率大（1vA～5vA），不经放大而直接指示。
• 结构简单，工作可靠，可在工业频率下稳定工作。
5
6
1
2. 自感式传感器 2.1 自感 磁链与回路电流的比值
L = Ψ = NΦ = N ⋅ NI = N 2 I I I Rm Rm
衔铁位移变化 → 线圈互感变化
• 初、次级间的互感随衔铁移动而变 • 两个次级绕组按差动方式连接
开路输出电压： 次级线圈感应电势之差
( ) •
•
•
•
U o = E 21 − E 22 = − jω M 1 − M 2 I
16
3.1 差动变压器的类型 有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型 。
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3.2 传感特性