变磁阻式传感器

一、变磁阻式传感器特点

变磁阻式传感器是自感式传感器的一种，自感式传感器又属于电感式传感器类别。

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量，如位移、压力、流量、振动等，转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由转换电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器具有以下特点：

1、结构简单、传感器无活动的电接触点，因此工作可靠寿命长；

2、灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达到数百毫伏的输出；

3、线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差仅达到0.05%—0.1%，并且稳定性也较好。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，他在工业自动控制系统中广泛被采用；但是它有频率响应较低、不宜快速动态测控等缺点。 二、结构和工作原理

变阻式传感器的结构和工作原理如图1所示，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁都由导磁材料，如硅钢片和坡莫合金制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，这样可以由此判别被测量的位移大小。线圈的电感值L可按如下电工学公式计算:

N2 L=RM（1）

式中 N——线圈匝数；RM——单位长度上的磁路总磁阻。 图1是变磁阻式传感器基本结构图。

图1 变磁阻式传感器基本结构图

磁路总磁阻可写成：

RM=RF+R

（2）

式中RF——铁芯磁阻；R——空气气隙磁阻； 其中RF和R可以分别由下式求出：

RF=L1L2 1A12A22 0A（3）

RF=（4）

式（3）中，第一项为铁芯磁阻，第二项为衔铁磁阻；

L1——磁通通过铁芯的长度（m）； A1——铁芯横截面积（m2）；

1——铁芯材料的导磁率（H/m）；

L2——磁通通过衔铁的长度（m）；

A2——衔铁横截面积（m2）；

2——衔铁材料的导磁率（H/m）；

； A——气隙横截面积（m2）

0——空气的导磁率（4π×10.7 H/m）。

由于RF<0AN2N2 L220A（5）

由式（5）可知，当线圈匝数确定后，改变和A均可导致电感的变化，因此，变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度的电感传感器。 三、转换电路

变磁阻是电感传感器是利用铁芯线圈中的自感随衔铁位移或空隙面积改变而变化的原理制成的，但实际上线圈不可能呈现为纯电感的，电感L还包含了线圈的铜损耗电阻Rc（Rc与串联），同时存在铁芯涡流损耗电阻Re（Re与L并联）；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表示（C与L和Rc、Re相并联），因此，电感式传感器可用图2所示等效电路表示。它又可以用一个复阻抗来等效。 由式（5）可知，当电感传感器线圈匝数和气隙面积一定时，电感量L与气隙厚度成反比，可用图3表示。下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。

图2 等效电路 图3 电感传感器的L-特性

四、输出特性

设电感传感器初始气隙为0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，从式(5)可知L和之间是非线性关系。那么，初始电感量为：

当衔铁下移时，传感器气隙增大0，则电感量却减少，设电感减少量为L1，那么： 电感量的相对变化为：

当0很小时，可将上式展开成级数形式为：

L1L000023 （6）

当衔铁上移时，气隙减小，即0，电感量增大，则电感的增加量为： 同样展开成级数为：

L2L000023 （7）

忽略掉二次项以上的高次项，则L1与L2和成线性关系。由此可见，高次项是造成非线性的主要原因，且L1和L2是不相等的。当0越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善。这说明输出特性和测量范围之间存在矛盾，所以，电感式传感器用于测量微小位移量是比较精确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛

采用差动式电感传感器。

由式（6）和式（7），忽略二次以上项后，可得到传感器灵敏度为：

SLL0（8）

0L0 0可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变间隙式电感式传感器适用于测量微

小位移的场合。因此常用差动自感传感器较好的解决上述矛盾。 五、差动自感传感器

1、结构和工作原理

变气隙电感传感器可以制作成各种样式（如螺管式电感传感器等），但它们都存在严重的非线性。为了减小非线性，可以让两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这样可以构成差动式电感传感器，如差动骆管电感传感器、差动式E形电感传感器等，如图4所示。其结构特点是上、下两个磁铁的几何尺寸、材料、电气参数均完全一致。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成，它们构成四臂交流电桥，供桥电源为交流电压UAC，桥路输出为交流电压U0。

图4 差动式电感传感器的结构原理

初始状态时，衔铁位于中间位置，两边空隙相等。因此，两只电感线圈的电感量相等，数值极性相反，电桥输出U0=0，即电桥处于平衡状态。当衔铁偏离中间位置，向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。若向下移动，输出电压为正；而向上移动时，输出电压则为负。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可以确定衔铁位移的大小和方向。衔铁带动连动机构就可以测量多种非电量，如位移、液面高度、速度等。

2、输出特性

输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。非差动式电感传感器电感量变化L和位移量变化呈非线性关系。当构成差动电感传感器，且接成电桥形式后，电桥输出电压将与L有关，即：

式中：

LL2-L1=2L0L000035 （9）

0AN20AN2L1L2（20+）（20-），

L为衔铁在中间位置时，单个线圈的电感量。式（9）中，不存在偶次项，显然，差动式电感传感器的非线性在工作范围内要比单个电感传感器小很多，由图可以说明这一点。图5还说明电桥的输出电压大小和衔铁的位移量有关，它的相位则与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，即相位相差180°。差动式电感传感器的灵敏度S，由式（9）忽略高次项后得到式（10）。图中1L1f，2L2f。图5是差动电感传感器输出特性图。

图5 差动电感传感器的输出特性图

S=2L00 （10）

比较单线圈式和差动式，区别如下： （1） 差动式间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 （2） 差动式的非线性忽略3次以上高次项，单线圈的非线性项忽略2次以上高次项；并且两者都有

01，因此，差动式的线性度得到明显改善。

3、调理电路

电感传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式和把传感器作为振荡桥路中一个组成元件的谐振式等几种。 （1） 交流电桥式调理电路

图4所示结构原理的等效电路如图6所示，把传感器的两个线圈做电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻Z3R,Z4R代替。对于高Q值，QLR的差动式线圈传感器，其输出电压为：

U0=UACZ1UACULj LAC2Z12R0j2L0（11）

式中 L0——衔铁在中间位置时，单个线圈的电感；R0为其损耗； L——两线圈电感的变化量。

图6 一般形式的交流电桥 图7 变压器式交流电桥

忽略式（9）中的高次项后，L2L0，代入式（11）后可得：U0UAC，电桥输出电压与

有关，相位与衔铁移动方向有关。

（2） 变压器式交流电桥

变压器式交流电桥如图7所示。电桥两臂Z1和Z2为传感线圈阻抗，另外两臂为交流变压器次级线圈的12阻抗，电桥A点的电压应为：

UAZ2UAC（C点为正，D点为负）

Z1Z2Z1UAC（D点为正， C点为负）

Z1Z2或UAB点电位为：UBUAC。 2当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压： 或者为：

U0UACZ1Z2

2Z1Z2（12）

当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z1Z2Z，此时U0或0，电桥平衡。当衔铁上移时，下面线圈阻抗减小，即Z2ZZ；而上面线圈的阻抗增加，即Z1Z+Z，于是由式（12）得

U0UACZ1Z2UACZUACjL==

2Z1Z22Z2R+jL（13）

当衔铁下移同样大小的距离时，Z1Z-Z，Z2Z+Z，则输出电压为：

U0UACZ1Z2UACZUACjL =-=-2Z1Z22Z2R+jL（14）

设线圈Q值很高，省略损耗电阻，式和式可写为：

U0UACL

2L（15）

从式（15）可知，衔铁上、下移动时，输出电压大小相等，但方向相反。由于UAC是交流电压，输出指示无法判断出位移方向，若采用相敏检波器就可鉴别出输出电压的极性随位移方向变化而变化。

谐振式测量电路灵敏度很高，但线性度差，适用于线性度要求不高的场合。