第三章电感式传感器gj
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第三章电感式传感器gj
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流 毫安表串联后，接到机床用控制变压器 的36V交流电压源上，如图所示。这时 毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢 将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下 按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。 当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时， 毫安表的读数只剩下十几毫安。
1
l1
L
S1
2
W
1—线 圈 ；
l2
2—铁 芯 (定 铁 芯 )；
3—衔 铁 (动 铁 芯 )
S2
3
±
第三章电感式传感器gj
原理 自感L可写为：
L W20s 2
l1 S1
1 L
2 W
l2
S2
3 ±
1—线 2—铁 3—衔
W为线圈匝数， μ0为空气的导磁率
上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积s成反 比。与线圈匝数W成正比
分类：变间隙型（δ 改变）、变面积型（s改变）、螺线管型（W改变）
第三章电感式传感器gj
1、变气隙式自感传感器
当气隙改变∆δ时
L
W 20s
2 0
W 20s 2 0
L0
0
1
0
当∆δ<<δ0 时，有
L
L0
0
第三章电感式传感器gj
此时，传感器的灵敏度为 k L L0
0
.
.
又
wL0R0
所 以U . 0Ui L=Ui 2L 2 第三章电感式传感器gj 0
结论： 差动电感传感器清除了起始时的零位输出 灵敏度提高，相同输入下输出增大 线性度得到改善（电感变化量中高次项部
分抵消）
第三章电感式传感器gj
2.
变压器式交流电桥测量电路如下图所示, 电桥两臂Z1、 Z2为传 感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的两半部分。 当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压
第三章电感式传感器gj
2、变面积式自感传感器
若将变气隙式自感传感器的气隙厚度δ保持不变，使气隙导磁截 面积s随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。
工作原理演示
变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变
气隙式相比，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，初始气隙厚度δ0 不能过大，但同样受工艺和结构的限制，δ0的选取与变气隙式 相同。
(2) 当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z0 -ΔZ, Z2=Z0 +ΔZ, 此时
U Z U L
U0
2 Z0
2 L0
从两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等,
但方向相反, 由于
U
0
是交流电压, 输出指示无法判断位移方向,
必须配合相敏检波电路来解决。 第三章电感式传感器gj
3. 带相敏整流器的交流电桥
第三章电感式传感器gj
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
220V
第三章电感式传感器gj
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小 第三章电感式传感器gj
一、自感式电感传感器
自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图
如下图。它由线圈、铁芯及活动衔铁组成。在铁芯和衔铁
之间有空气隙δ。
第三章电感式传感器gj
螺旋管式自感传感器工作示意图
第三章电感式传感器gj
四、差动电感传感器及测量电路
在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁, 构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测 量误差.
差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材 料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。
Z1，Z2的阻抗相等，此时
+
Z 1 Z 2 Z 0R 0jw L 0
Z1
Z3 Z4 R
U
电桥平衡，输出电压为0。当衔铁 -
Z2
移动时，两线圈的变化分别为；
Z3
+ Z4 U o
-
Z1 Z0 Z
差动变隙式电感传感器等效图
Z2 Z0Z
输出Uo正比于Z1与Z2的差值
第三章电感式传感器gj
.
U0
Z1Z3 Z2Z4
.
Ui
(Z1 Z2 )(Z3 Z4 )
=
Z1 Z2
.
Ui
2(2Z0 Z1 Z2 )
因为
Z1 jwL1 jwL Z2 jwL2 jwL
+
Z1
U B
-
Z2
Z3
A+
Z4 U o -
ຫໍສະໝຸດ Baidu差动变隙式电感传感器等效图
所以
.
.
U0
2jwL U . i Ui
jwL
4(R0jwL0) 2(R0jwL0)
LW202a0xbW2200abL0ax
即
Lx
L0 a
第三章电感式传感器gj
变面积式自感传感器工作原理动画演示
第三章电感式传感器gj
3、螺管式自感传感器
工作原理演示
它与前两种传感器相比，有以下特点： ⑴.结构简单，制造装配容易； ⑵.由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ⑶.由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，但线 性范围大； ⑷.由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多， 因而线圈分布电容大；
可见，灵敏度k与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度 愈高。由于k不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这 一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。
实际应用中，一般取 。0 .变1 气隙式自感传感器
0
适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm.
第三章电感式传感器gj
变气隙式自感传感器工作原理动画演示
第三章 电感式传感器
电感式传感器的工作原理：它是利用磁路定律或电磁感应原理 等，通过线圈自感和互感的变化，实现非电量（直接量为位移） 电测。 用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比 重等物理量参数。 优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度和分辨力高。 缺点：存在交流零位信号；不适宜高频动态测量。 分类：按工作原理分为自感式、互感式和电涡流式三种。
差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、 电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响 造成的误差。
第三章电感式传感器gj
1. 电阻平衡臂交流电桥
以 差动变隙式电感传感器为例进行分析
图 差动第变三隙章电式感式电传感感器传gj 感器
第三章电感式传感器gj
设衔铁位于气隙中间位置时线圈
Uo UAUB
U
Z1U U Z1 Z2 U Z1 Z2 2 Z1 Z2 2
Ui
B
A
变压器交流电桥
第三章电感式传感器gj
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时，电桥平衡
U00
(1) 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z0 +ΔZ, Z2=Z0 -ΔZ,
U Z U L
U0
2 Z0 2 L0
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流 毫安表串联后，接到机床用控制变压器 的36V交流电压源上，如图所示。这时 毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢 将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下 按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。 当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时， 毫安表的读数只剩下十几毫安。
1
l1
L
S1
2
W
1—线 圈 ；
l2
2—铁 芯 (定 铁 芯 )；
3—衔 铁 (动 铁 芯 )
S2
3
±
第三章电感式传感器gj
原理 自感L可写为：
L W20s 2
l1 S1
1 L
2 W
l2
S2
3 ±
1—线 2—铁 3—衔
W为线圈匝数， μ0为空气的导磁率
上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积s成反 比。与线圈匝数W成正比
分类：变间隙型（δ 改变）、变面积型（s改变）、螺线管型（W改变）
第三章电感式传感器gj
1、变气隙式自感传感器
当气隙改变∆δ时
L
W 20s
2 0
W 20s 2 0
L0
0
1
0
当∆δ<<δ0 时，有
L
L0
0
第三章电感式传感器gj
此时，传感器的灵敏度为 k L L0
0
.
.
又
wL0R0
所 以U . 0Ui L=Ui 2L 2 第三章电感式传感器gj 0
结论： 差动电感传感器清除了起始时的零位输出 灵敏度提高，相同输入下输出增大 线性度得到改善（电感变化量中高次项部
分抵消）
第三章电感式传感器gj
2.
变压器式交流电桥测量电路如下图所示, 电桥两臂Z1、 Z2为传 感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的两半部分。 当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压
第三章电感式传感器gj
2、变面积式自感传感器
若将变气隙式自感传感器的气隙厚度δ保持不变，使气隙导磁截 面积s随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。
工作原理演示
变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变
气隙式相比，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，初始气隙厚度δ0 不能过大，但同样受工艺和结构的限制，δ0的选取与变气隙式 相同。
(2) 当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z0 -ΔZ, Z2=Z0 +ΔZ, 此时
U Z U L
U0
2 Z0
2 L0
从两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等,
但方向相反, 由于
U
0
是交流电压, 输出指示无法判断位移方向,
必须配合相敏检波电路来解决。 第三章电感式传感器gj
3. 带相敏整流器的交流电桥
第三章电感式传感器gj
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
220V
第三章电感式传感器gj
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小 第三章电感式传感器gj
一、自感式电感传感器
自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图
如下图。它由线圈、铁芯及活动衔铁组成。在铁芯和衔铁
之间有空气隙δ。
第三章电感式传感器gj
螺旋管式自感传感器工作示意图
第三章电感式传感器gj
四、差动电感传感器及测量电路
在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁, 构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测 量误差.
差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材 料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。
Z1，Z2的阻抗相等，此时
+
Z 1 Z 2 Z 0R 0jw L 0
Z1
Z3 Z4 R
U
电桥平衡，输出电压为0。当衔铁 -
Z2
移动时，两线圈的变化分别为；
Z3
+ Z4 U o
-
Z1 Z0 Z
差动变隙式电感传感器等效图
Z2 Z0Z
输出Uo正比于Z1与Z2的差值
第三章电感式传感器gj
.
U0
Z1Z3 Z2Z4
.
Ui
(Z1 Z2 )(Z3 Z4 )
=
Z1 Z2
.
Ui
2(2Z0 Z1 Z2 )
因为
Z1 jwL1 jwL Z2 jwL2 jwL
+
Z1
U B
-
Z2
Z3
A+
Z4 U o -
ຫໍສະໝຸດ Baidu差动变隙式电感传感器等效图
所以
.
.
U0
2jwL U . i Ui
jwL
4(R0jwL0) 2(R0jwL0)
LW202a0xbW2200abL0ax
即
Lx
L0 a
第三章电感式传感器gj
变面积式自感传感器工作原理动画演示
第三章电感式传感器gj
3、螺管式自感传感器
工作原理演示
它与前两种传感器相比，有以下特点： ⑴.结构简单，制造装配容易； ⑵.由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ⑶.由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，但线 性范围大； ⑷.由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多， 因而线圈分布电容大；
可见，灵敏度k与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度 愈高。由于k不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这 一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。
实际应用中，一般取 。0 .变1 气隙式自感传感器
0
适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm.
第三章电感式传感器gj
变气隙式自感传感器工作原理动画演示
第三章 电感式传感器
电感式传感器的工作原理：它是利用磁路定律或电磁感应原理 等，通过线圈自感和互感的变化，实现非电量（直接量为位移） 电测。 用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比 重等物理量参数。 优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度和分辨力高。 缺点：存在交流零位信号；不适宜高频动态测量。 分类：按工作原理分为自感式、互感式和电涡流式三种。
差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、 电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响 造成的误差。
第三章电感式传感器gj
1. 电阻平衡臂交流电桥
以 差动变隙式电感传感器为例进行分析
图 差动第变三隙章电式感式电传感感器传gj 感器
第三章电感式传感器gj
设衔铁位于气隙中间位置时线圈
Uo UAUB
U
Z1U U Z1 Z2 U Z1 Z2 2 Z1 Z2 2
Ui
B
A
变压器交流电桥
第三章电感式传感器gj
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时，电桥平衡
U00
(1) 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z0 +ΔZ, Z2=Z0 -ΔZ,
U Z U L
U0
2 Z0 2 L0