压磁式传感器按其电磁原理可分为阻流圈式、变压器式、桥式、电阻式、Wiedeman效应和Barkhausen效应传感器等。其中是用的最多的式阻流圈式、变压器式和桥式压磁传感器。因此,接下来介绍这三种传感器的结构形式。
1、阻流圈式压磁传感器
阻流圈式传感器的压磁元件结构如图10-22a所示。
当线圈通以交变电流时,压磁元件(铁芯)在外力F作用下,其磁导率将发生变化,磁阻和磁通也将相应发生变化,于是改变线圈的阻抗。基于图10-22a所示压磁原件的阻流圈式压力传感器如图10-22b所示。我们可以利用如图10-22c所示的方法测量电流或电压变化来检测或控制传感器的受力情况等。
2、变压器式压磁传感器
阻流圈式压磁传感器是用单一线圈完成信号检测、控制和电源电流供给的。变压器式压磁传感器将电源线路和检测、控制信号输出线路分离,它们之间只有磁的耦合。采用不同变压系数,获取不同的输出信号电压。这种传感器的结构形式如图10-23所示。
当未受力作用时,激磁线圈所产生的磁通,主要通过铁芯的中心磁路形成回路(见图c),而通过测量线圈所围绕的铁芯的磁通很小。当外力(如压力)作用时,导磁体在中心磁路部分的磁阻增大,一部分磁通分流到测量线圈所围绕的铁芯上,从而在测量线圈中感应出电压。
变压器式压磁传感器结构形式较多,另一种如图10-24所示的结构是实践中常用的一种。在导磁体中互相垂直的放置初级和次级线圈(如图a所示),在不受外力作用时,传感器铁芯的磁性各向同性,初级线圈的磁力线对称分布,不与次级线圈发生耦合,如图b所示,因而不能在次级线圈感应出电动势。当受外力作用时,其铁芯材料呈现出磁的各向异性特征,即平行于作用力方向与垂直与作用力方向的磁导率出现不同。因此,磁场发生畸变,在磁导率很强的方向拉长,并与次级线圈发生耦合,则感应出电动势,如图c所示,且该电动势与随施加在传感器的外力大小成比例的变化。这种变压器加上压头和固定装置就构成完整的变压器式压磁传感器。
3、桥式压磁传感器
桥式压磁传感器的结构和工作原理如图10-26所示。这类传感器有两只互相垂直交叉放置的压磁元件构成Ⅱ形铁芯,在铁芯上分别绕制激磁线圈和测量线圈。该铁芯与被测铁磁金属体共同组成一个磁路。假如被测金属是一个受扭曲的轴(如汽轮机主轴),且传感器如图a所示放置,则主轴上产生互相垂直的拉应力和压应力,并且与轴呈45°角,如图b所示,那么两个铁芯与被测金属表面的四个触点间的磁阻就形成图c所示的电桥。