变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器

2021/11/06 11:35 · 传感器知识资讯 ·  · 变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器已关闭评论
摘要:

变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器氧化钛式氧传感器的结构如图1所示。它的内部有两个氧化钛元件。一个是多孔性的二氧化钛陶瓷,用来感测排气中的氧含量;另一个是实心的二氧化钛陶瓷,用来作加热调节,补偿温度的误差。传感器

变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器  第1张

变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器

氧化钛式氧传感器的结构如图1所示。它的内部有两个氧化钛元件。一个是多孔性的二氧化钛陶瓷,用来感测排气中的氧含量;另一个是实心的二氧化钛陶瓷,用来作加热调节,补偿温度的误差。传感器外面套有带孔槽的金属防护套。传感器接线端用橡胶作密封材料,防止外界气体渗人,它一般安装在排气歧管或尾管上。
  氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛(TiO2)材料的电阻值随排气中氧含量变化的特性制成的,所以又称电阻型氧传感器。纯净的二氧化钛在常温下是一种电阻很高的半导体,在它的表面一旦缺氧,其晶体出现空缺,产生更多的电子,使电阻大大降低。氧化钛式氧传感器正是利用这一特性来检测排气中的氧含量。
  由于二氧化钛半导体材料变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器  第2张

变阻式传感器:变磁阻式传感器

变磁阻式传感器
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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
:?

变阻式传感器:变磁阻式传感器有哪些类型_变磁阻式传感器的应用

  变磁阻式传感器有哪些类型
  常见的变磁阻式传感器有自感式、互感式(差动变压器式传感器)和涡流式三种。
  (I)自感式传感器
  自感式传感器:由铁芯和线罔构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器,又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料磁导率都是一定的,其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时,就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点:
  ①无活动触点、可靠度高、寿命长:
  ②分辨率高;
  ③灵敏度高;
  ④线性度高、重复性好;
  ⑤测量范围宽(测量范围大时分辨率低);
  ⑥无输入时有零位输出电压,引起测量误差;
  ⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高;
  ⑧不适用于高频动态测量。
  电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量(如力、速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等)的测量。
  常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中,动式,以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。张力、压力、压差、加这三种传感器多制成差
  A.变间隙型电感传感器。这种传感器的气隙随被测量的变化而改变,从而改变磁阻(见图2-40)。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小,因此常常要考虑两者兼顾。一般取0.1~0.5mm。

  B.变面积型电感传感器。这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积(即磁通截面)随被测量的变化而改变,从而改变磁阻(见图2-41)。它的灵敏度为常数,线性度也很好。

  C.螺管插铁型电感传感器。它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径I二磁阻化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大,灵敏度低,结构简单,便于制作。
  (2)互感式(差动变压器式)传感器
  互感式传感器一一把被测的非电量变化转换为线圈7为感变化的传感器,这种传感器最常见的形式是差动变压器式传感器(见图2-42),也即次级绕组用差动形式。其优点:测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠。图2-43给出了几款互感式传感器的实物图。

  (3)涡流式传感器
  涡流式传感器即电涡流传感器(工作原理如图2-44所示)。

  它能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电
  涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。
  电涡流传感器系统以其独特的优点,广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业,对汽轮机、水轮机、发电机、鼓风机、压缩机、齿轮箱等大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、鉴相器、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线测量和安全保护,以及转子动力学研究和零件尺寸检验等方面。图2-45列举了电涡流传感器的一些典型应用示意。图2-46给出了几款电涡流传感器的实物图。

  变磁阻式传感器的应用
  1.压力测量
  2.力与力矩的测量
  优点:承受轴向力时应力分布均匀;当长泾比较小时,受横向偏心的分力的影响较小。
  3.加速度测量
  4.位移的测量
  5.振幅的测量
  6.厚度测量
  7.转速测量
  8.涡流探伤

变阻式传感器:传感技术复习笔记(4)——变磁阻式传感器  第3张

变阻式传感器:变阻式传感器的结构原理图

变阻式传感器的结构原理图
1. 变阻式传感器的结构及分类
变阻式传感器又称为电位器式传感器。它们是由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动,因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器,除可以测量线位移或角位移外,还可以测量一切可以转换为位移的其它物理量参数,如压力、加速度等。
变阻式传感器的优点
变阻式传感器的优点
结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定;
受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小;
可以实现输出—输入间任意函数关系;
输出信号大,一般不需放大。它的缺点是:因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦,因此需要较大的输入能量;由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性,而且会降低测量精度,分辨力较低;动态响应较差,适合于测量变化较缓慢的量。
按其结构形式不同,可分为线绕式、薄膜式、光电式等,在线绕电位器中又有单圈式和多圈式两种;按其特性曲线不同,则可分为线性电位器和非线性(函数)电位器。
2. 变阻式传感器的原理与特性
由式(4.1)可知,如果电阻丝直径与材质一定时,则电阻R随导线长度L而变化。变阻式传感器就是根据这种原理制成的。
变阻式传感器的结构原理图

=常数
推导过程
=常数 推导过程
当被测位移变化时,触点C沿电位器移动。如果移至x,则C点与A点之间的电阻为
(9.12)
式中—单位长度的电阻,当导线材质分布均匀时是一常数。这种传感器的输出(电阻)与
输入(位移)成线性关系。
传感器的灵敏度为:
=常数
(9.13)

推导过程
推导过程
回转型变阻器式传感器,其电阻值随转角而变化,故为角位移型。传感器的灵敏度为:
(9.14)
式中
—单位弧度对应的电阻值,当导线材质分布均匀时, =常数;
—转角( rad)。
线性电阻器的电阻分压电路
当 时,电压输出Uo为:
推导过程
  推导过程
负载电阻为 ,电位器长度为l,总电阻为R,电刷位移为x,相应的电阻为 ,电源电压为U,输出电压为U0为:
(9.15)
当 时,电压输出Uo为:
(9.16)
式中 —电位器的电压灵敏度。
由式可以看到:当电位器输出端接有输出电阻时,输出电压与电刷位移并不是完全的线性关系。只有 时, 为常数,输出电压与电刷位移成直线关系,线性电位器的理想空载特性曲线是一条严格的直线。
非线性电位器
非线性电位器
又称函数电位器。是其输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器,即 ,它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等各种特定函数,也可以是其它任意函数。非线性电位器可以应用于测量控制系统、解算装置以及对某些传感器某些环节非线性进行补偿等。例如,若输入量为 ,则为了得到输出的电阻值 与输入量 成线性关系,电位计的骨架应采用三角形;若输入量为 ,则电位计的骨架应采用抛物线型。

输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器

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