最新实验第5章电感式传感器
第5章-压电式传感器
压电传感器的等效原理
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第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 一、等效电路
(a)电压等效电路
(b)电荷等效电路
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第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 一、等效电路
由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无 “漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器 受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来， 否则电路将以某时间常数按指数规律放电。 传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不 可能无穷大。
CX —电极面间电容
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿机械轴(Y轴)的压力Fy作用时， 电荷仍在与X轴垂直平面上出现 电荷的大小为： qXY d12ltbbFY d12ltFY
其中，d12 —石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数， d11=- d12 t —晶片厚度
X轴平面上电荷
若考虑电缆电容Cc，则有
当A0足够大时，传感器本身的电容和 电缆长短将不影响电荷放大器的输出。
因此输出电压USC只决定于输入电荷q
U SCR 1a1A 0R 1F jj q A C 0aC c1A 0C F
及反馈回路的参数CF和RF。 由于1/RF<<ωCF，有
USC
A0q
1A0CF
q CF
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因此，在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值。
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第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 二、测量电路
（二）电荷放大
电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增 益放大器。
i
U
U
SC
j C F
1 RF
U
第5章电动势传感器
第5章 电动势传感器
5.1.4 磁电感应式传感器的应用 1. 图 5.8 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主
要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端 架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳 相连。
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2
1
NS
第5章 电动势传感器
2 恒定磁通式
恒定磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、金属
骨架和壳体等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场, 磁路中的
工作气隙固定不变, 因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动
部件可以是线圈或者磁铁，因此又分为动圈式（a）和动铁式
(b)两种结构类型。
v
弹簧 v 极掌 线圈
δx≈(-4.5%)/10 ℃
这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿，补偿通常 采用热磁分流器，热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊 磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉 一小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经 它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度 为常数。
为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 如图5.3所示。 补偿线圈通以经放大K倍的电流, 适当选择 补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产 生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。
第5章 电动势传感器
（2）
当温度变化时, 式（5.9）中右边三项都不为零, 对铜线而 言每摄氏度变化量为dL/L≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 , dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍 钴永久磁合金, dB/B≈-0.02×10-2, 这样由式(5.9)可得近似值:
精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第5章
ΔL
ΔL1
ΔL2
2L0
第5章 电感式传感器 图5.11 差动变压器原理及特性
第5章 电感式传感器
5.2.2 信号调理电路 1. 差动整流电路 差动整流电路是对差动变压器两个次级线圈的输出电压分
别整流后进行输出，典型电路如图5.12所示。图5.12(a)和(b) 用于低负载阻抗的场合，分别为全波和半波电流输出。图 5.12(c)和(d)用于高负载阻抗的场合，分别为全波和半波电 压输出。可调电阻Rp调整零点输出电压。
(2) 高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。 当磁路工作在磁化曲线的非线性段时，激励电流与磁通的波形 不一致，导致了波形失真；同时，由于磁滞损耗和两个线圈磁 路的不对称，造成了两线圈中某些高次谐波成分，于是产生了 零位电压的高次谐波；
(3) 激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰，也会 产生高次谐波。
第5章 电感式传感器 图5.9 BYM型自感式压力传感器
第5章 电感式传感器
2. 螺管式位移传感器 图5.10所示为螺管式位移传感器，测杆7可在滚动导轨6 上作轴向移动，测杆上固定着衔铁3。当测杆移动时，带动衔 铁在电感线圈4中移动，线圈放在圆筒形铁芯2中，线圈配置成 差动式结构，当衔铁由中间位置向左移动时，左线圈的自感量 增加，右线圈的自感量减少。两个线圈分别用导线1引出，接 入测量电路。另外，弹簧5施加测量力，密封套8防止尘土进入， 可换测头9用螺纹固定在测杆上。
生物医学传感器原理与应用第5章 电感式传感器
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5.3.1 工作原理及等效电路 流传感器主要是一只固定于框架上的扁平线圈，如 图5.11所示。如果在该扁平线圈中通以正弦交流电，流 过线圈的电流就会在线圈周围空间产生交变磁场。当导 电的金属靠近这一线圈时，金属导体中就会产生涡流， 如图5.12所示，其中图（a）为电涡流作用原理，图（b） 为涡流式传感器与被测体的等效电路。涡流的大小与金 属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度d、线圈与金属导体 的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数有关，如果 固定其中某些参数，就可根据涡流的大小测量出剩下的 那些参数来。
第5章 电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量 如直线位移、角位移、压力、转矩等转换成电感的变化 量。这种类型的传感器主要有电感式、变压器式和涡流 式等几种，其主要优点包括：①结构简单，没有活动接 触点，因而工作寿命长；②灵敏度高，分瓣率高（分瓣 率可达0.1μm）；③重复性好，比较稳定；④输出特性 的线性度好，输出幅度大，即使不用放大器放大，也有 0.1耀5V/mm 输出。
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2）调幅式测量电路 它由一只电容 C与传感器线圈 L组成 LC并联谐振电 路，并由一个频率及幅度都稳定的振荡器（一般用石英 晶体振荡器）提供一个高频信号来激励这个谐振电路， 与调频法不同的是LC组成的并联谐振电路不是在谐振状 态，而是工作在失谐状态。图5.24是这种调幅线路的原 理图。
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5.1.1 闭磁路自感传感器 （1）原理闭磁路自感传感器的典型原理结构如图 5.1所示
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（2）等效电路 电感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它还存 在着线圈的铜损耗、铁芯的涡流以及磁滞损耗，这些可 用有功电阻Rq来表示。
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（3）非线性和灵敏度 从式（5.3）可看出，改变空气隙等效截面类型的传 感器为线性转换关系，而改变空气隙长度类型的传感器 为非线性转换关系，如图5.3所示。
第五章电感式传感器.ppt
RLu2 n1(R 2RL )
传感器衔铁下移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
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（3）波形图
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相敏检波电路波形图
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差动变压器式传感器的应用
差动变压器不仅可以直接用于位移测量， 而且还可以测量与位移有关的任何机械 量，如振动、加速度、应变、压力、张 力、比重和厚度等。
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测量电路
差动变压器输出的是交流电压，若用交 流电压表测量，只能反映衔铁位移的大 小，而不能反映移动方向。另外，其测 量值中将包含零点残余电压。为了达到 能辨别移动方向及消除零点残余电动势 目的，实际测量时，常常采用差动整流 电路和相敏检波电路。
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1．差动整流电路
是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后 将整流的电压或电流的差值作为输出，这样二次电压 的相位和零点残余电压都不必考虑。
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பைடு நூலகம்构
差动式电感传感 器对外界影响， 如温度的变化、 电源频率的变化 等基本上可以互 相抵消，衔铁承 受的电磁吸力也 较小，从而减小 了测量误差。
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1—测杆 2—衔铁 3—线圈
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特性
从输出特性曲线（如 图4-5所示）可以看 出，差动式电感传感 器的线性较好，且输 出曲线较陡，灵敏度 约为非差动式电感传 感器的两倍。
输出特性曲线
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零点电势
零点残余电动势使得传感器在零点附近 的输出特性不灵敏，为测量带来误差。 为了减小零点残余电动势，可采用以下 方法。
（1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气 参数和磁路对称。
项目五电感式传感器教案
班级：日期：年月日编号：电感式传感器是利用电磁感应改变线圈的自感系数L或互感系数M达到测量位移、压力、流量、振动、比重等物理参数的目的,自感系数L 和互感系数M 的变化在电路中又转换为电压或电流的变化输出,从而实现非电量到电量的转换;电感式传感器实现信息的远距离转输、记录、显示和控制等方面的要求,广泛应用于工业自动控制系统中;电感式传感器具有结构简单,工作可靠,寿命长,灵敏度和分辨率高,输出信号强,线性度和重复性好,稳定性好等优点;但是存在交流零位信号,不宜快速动态测控等缺点;电感式传感器按其工作原理可分为自感式,变压器式和电涡流式等种类;本项目将重点介绍上述三种传感器,使读者了解电感式传感器的结构、工作原理、测量方法和应用场合;一、自感式传感器1、工作原理变磁阻式传感器是一种常用自感式传感器,其结构原理如图5—1所示,由线圈、铁芯和衔铁三部分组成;铁芯和衔铁由导磁材料坡莫合金或硅钢片制成;活动衔铁与铁芯之间存在气隙,厚度为δ;传感器工作时,衔铁与传感器的运动部分同时连接被测物体连在一起,当被测物体按图示方向产生δ∆±的位移时,气隙厚度δ发生变化,从而使磁路中的磁阻产生相应的变化,进而导致电感线圈的电感量变化,测出这种电感量的变化就可以判别衔铁即被测物体位移量的大小和方向;图5—1 变磁阻式传感器基本结构根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定：IN IΦ==ψL 5—1式中： ψ——线圈总磁链；I ——通过线圈的电流； N ——线圈的匝数； Φ——穿过线圈的磁通; 由磁路欧姆定律,得mR IN=Φ 5—2式中：m R ——磁路总磁阻;将式5—2代入5—1得mm R N R IN I N I N I 2L ==Φ==ψ5—3 对于变气隙式传感器, 因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的;若忽略磁路损耗,则磁路总磁阻为SS L S L R R R F m 02221112μδμμδ++=+= 5—4式中：F R ——铁芯磁阻；δR ——空气气隙磁阻；1μ——铁芯材料的磁导率；2μ——衔铁材料的磁导率； 1L ——磁通通过铁芯的长度；S ——气隙的截面积；δ——气隙的厚度;2、自感传感器等效电路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,它通常采用铁磁体作为磁芯,所以线圈不可能呈现为纯电感,电感L 还包含了与L 串联的线圈铜损耗电阻c R ,同时存在与L 并联铁芯祸流损耗电阻Re ；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c R 、Re 相并联,因此,电感式传感器可用等效电路表示;它可以用一个复阻抗Z 来等效;二 互感式传感器互感式传感器是把被被测的非电量变化转换为变压器线圈的互感变化;这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,变压器初级线圈输入交流电压,次级线圈感应出电势;由于变压器的次级线圈常接成差动形式,故又称为差动变压器式传感器;差动变压器结构形式有变气隙式、变面积式和螺线管式等,其工作原理基本一样;变气隙差动互感传感器由于行程小,且结构复杂,因此目前已很少采用,螺线管式差动变压器广泛用于非电量的测量,它可以测量1～100mm 范围内的机械位移,这种传感器具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点;1、工作原理差动变压器式传感器的组成元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等;初级线圈作为差动变压器激励用,可视为变压器的原边,次级两个对称的线圈反向串接相当于变压器的副边;如图5—10所示螺管形差动变压器传感器的结构;它由初级线圈P 、两个次级线圈1S 、2S 和插入线圈中央的圆柱形铁芯b 组成,结构形式有二段式和三段式等之分;差动变压器线圈连接如图5—10c 所示;次级线圈1S 和2S 反极性串联;当初级线圈P 加上某一频率的正弦交流电压i U .后,次级线圈产生感应电压为1.U 和2.U ,它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关;1.U 和2.U 反极性连接使得到输出电压o U .当铁芯位于线圈中心位置时,2.1.U U =,0.=o U ；当铁芯向上移动见图c 时,2.1.U U >,0.>o U ,1M 大,2M 小；当铁芯向下移动见图c 时,1.2.U U >,0.>o U ,1M 小,2M 大;铁芯偏离中心位置时,输出电压o U .随铁芯偏离中心位置;1.U 或2.U 逐渐加大,但相位相差180°,如图5—11所示;实际上,铁芯位于中心位置,输出电压o U .并不是零电位,而是x U ⋅被称为零点残余电压;零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称,以及磁性材料的非线性等问题引起的; 零点残余电压的波形十分复杂,主要由基波和高次谐波组成;基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称,导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同,因此不论怎样调整衔铁位置, 两线圈中感应电势都不能完全抵消; 高次谐波中起主要作用的是三次谐波, 产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性磁饱和、磁滞; 零点残余电压一般在几十毫伏以下,在实际使用时,应设法减小 x U ⋅, 否则将会影响传感器的测量结果;三 电涡流式传感器电感线圈产生的磁力线经过金属导体时,金属导体就会产生感应电流,该电流的流线呈闭合回线;类似图5—18a 所示的水涡形状,故称之为电涡流;理论分析和实践证明,电涡流的大小是金属导体的电阻率ρ、相对导磁率μ、金属导体厚度H 、线圈激励信号频率ω以及线圈与金属块之间的距离x 等参数的函数;若固定某些参数,就能按涡流的大小测量出另外某一参数;涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、电解质浓度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量,另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等持点,所以应用极其广泛;因为涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关,故传感器可分为高频反射式和低频透射式两类涡流传感器,但从基本工作原理上来说仍是相似的;下面以高频反射式涡流传感器为例说明其原理和特性;1、基本原理电涡流式传感器产生涡流的基本结构形式如图5—18所示;当通有一定交变电流.I 频率为f 的电感线圈L 靠近金属导体时,在金属周围产生交变磁场,在金属表面将产生电涡流1.I ,根据电磁感应理论,电涡流也将形成一个方向相反的磁场;此电涡流的闭合流线的圆心同线圈在金属板上的投影的圆心重合;据有关资料介绍,涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：⎩⎨⎧==Dr DR 525.0239.12式中 R 2一—电涡流区外径；r 2——电涡流区内径涡流渗透深度fh r μρ5000= 5—25 式中ρ——导体电阻率cm ⋅Ω；f ——交变磁场的频率；r μ——相对导磁率;四、电感式传感器的应用1、变磁阻式传感器的应用图5—22所示是变隙电感式压力传感器的结构图; 它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起;当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力P 的作用下产生与压力P 大小成正比的位移;于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表指示值就反映了被测压力的大小;图5—22 变隙电感式传感器结构图 5—23 变隙式差动电感压力传感器图5—23所示为变隙式差动电感压力传感器;它主要由C 形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成;当被测压力进入C 形弹簧管时,C 形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈 2 中的电感发生大小相等、 符号相反的变化,即一个电感量增大,另一个电感量减小;电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出;由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压, 即可得知被测压力的大小; 2、差动变压式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量,也可以测量与位移有关的任何机械量,如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等;图5—24所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图;它由悬臂梁1和差动变压器2构成;测量时,将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定,而将衔铁的A 端与被测振动体相连; 当被测体带动衔铁以Δxt 振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化;图5—24 差动变压器式传感器原理图1—悬臂梁 2—差动变压器3、电涡流式传感器的应用 低频透射式涡流厚度传感器图 5—25 所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图; 在被测金属的上方设有发射传感器线圈L 1,在被测金属板下方设有接收传感器线圈L 2;当在L 1上加低频电压1.U 时,则L 1上产生交变磁通Φ1,若两线圈间无金属板,则交变磁场直接耦合至L 2中,L 2产生感应电压2.U ; 如果将被测金属板放入两线圈之间,则L 1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流;此时磁场能量受到损耗,到达L 2的磁通将减弱为Φ1′,从而使L 2产生的感应电压2.U 下降;金属板越厚,涡流损失就越大,2.U 电压就越小;因此,可根据2.U 电压的大小得知被测金属板的厚度,透射式涡流厚度传感器检测范围可达1～100mm,分辨率为μm,线性度为 1%;图5—25 透射式涡流厚度传感器结构原理图五、小结：理解自感式、差动变压器式、涡流传感器的工作原理 六、作业1、自感式传感器的工作原理及分类2、互感式传感器的工作原理及分类3、电涡流式传感器的工作原理及应用 七、板书安排黑板分为三个部分：左边为标题,不擦除;中部为具体讲解,更新擦除;右边以图形为主,也可以写临时性内容;。
电感式传感器实验报告
电感式传感器实验报告电感式传感器实验报告引言：电感式传感器是一种常见的传感器类型，它通过测量电感的变化来检测目标物体的位置、形状或其他相关参数。
本实验旨在通过设计和搭建一个简单的电感式传感器实验装置，探索其工作原理和应用。
实验装置：本实验所使用的电感式传感器实验装置由以下几个主要部分组成：一个电源供应器、一个信号发生器、一个示波器和一个电感线圈。
其中，电源供应器提供所需的电压，信号发生器产生变化的电信号，示波器用于观察电感的变化，电感线圈则是被测物体。
实验步骤：1. 连接电源供应器和信号发生器，确保电压和频率设置正确。
2. 将电感线圈放置在被测物体附近，调整信号发生器的频率，观察示波器上的波形变化。
3. 改变被测物体的位置、形状或其他相关参数，观察示波器上的波形变化。
实验结果与分析：通过实验观察和数据记录，我们可以得出以下结论：1. 当被测物体靠近电感线圈时，示波器上的波形振幅增大；当被测物体远离电感线圈时，示波器上的波形振幅减小。
2. 当被测物体形状改变时，示波器上的波形频率或振幅也会发生相应的变化。
3. 不同频率的电信号对电感式传感器的响应也不同，需要根据具体应用场景进行选择和调整。
实验讨论：电感式传感器的工作原理是基于电感的变化来实现目标物体的检测。
当被测物体靠近电感线圈时，它会引起电感的变化，从而影响电路中的电流和电压。
这种变化可以通过示波器来观察和记录，进而实现对被测物体的检测和分析。
电感式传感器在实际应用中有着广泛的用途。
例如，在工业自动化领域，它可以用于检测物体的位置、形状和尺寸，从而实现自动化控制和生产过程的优化。
在医疗领域，它可以用于监测人体的生理参数，如心率和呼吸频率，从而实现健康管理和疾病诊断。
此外，电感式传感器还可以应用于环境监测、交通控制和安防系统等领域。
然而，电感式传感器也存在一些局限性和挑战。
例如，受到电磁干扰的影响，电感式传感器的测量结果可能会出现误差。
此外，电感式传感器在不同环境条件下的响应也可能存在差异，需要进行校准和调整。
第5章电动势传感器资料
霍尔电势的计算：
UH
IB ned
RH
IB d
KHI
B
(5.13)
式中：n---N型半导体材料中的电子密度；d---霍尔片的厚度；
e---电子的电荷量，e＝1.602×10-19C；
RH---霍尔系数，RH＝－1/(ne)，由载流材料物理性质决定； ＫH----霍尔元件的灵敏度系数，与材料的物理性质和几何
5.2.4 霍尔元件的误差分析及补偿
由于制造工艺问题以及实际使用时各种影响霍尔元 件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等， 都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。
零位误差 霍尔元件误差产生的主要原因：
温度误差
不等位电动势 寄生直流电动势 感应零电势
1、霍尔元件的零位误差及其补偿
霍尔元件的零位误差包括不等位电势、 寄生直流电势和感应零电势等，其中不等 位电势是最主要的零位误差。要降低除了 在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电 路加以补偿。
②霍尔元件结构和外形见附图a：由霍尔片、4根引线和 壳体组成。 霍尔片大小：4mm×2mm×0.1mm 4根引线:2根控制电流端引线（红色导线），要求焊接 处欧姆接触----接触面积大、电阻小，呈纯电阻。2 根霍尔电势输出引线以点接触对焊（绿色线）。
③简化符号见附图2.
附图１ 外形与结构
H
附图2 霍尔元件符号表示
第5章 电动势式传感器
本章包含三部分内容： 5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔传感器 5.3 压电式传感器
5.1 磁电感应式传感器
简称感应式传感器，也称电动式传感器。 利用磁电作用将被测物理量的变化转变为感应电动势，是 一种机－电能量变换型传感器。
优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。 调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频 率响应（一般10～1000Hz），灵敏度较高，一般不需 要高增益放大器。
生物医学传感器及应用-第五章-电感式传感器
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
§5.1 自感式电感传感器
五、差动式自感传感器
在实际使用中，常采用两个相同的传感线 圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
差动结构的特点： （1）改善线性、提高灵敏度外； （ 2 ）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
δ Δδ
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。 动态测量范围：0.001 ~ 1mm。 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传 感器。
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
§5.1 自感式电感传感器
四、变截面式自感传感器输出特性
铁芯 线圈 δ Δδ
线圈中电感量：
因此只要能测出这种电感量的变化， 就能确定衔铁位移量的大小和方向。
NΦ IN L I RM
总磁阻
线圈匝 数
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
§5.1 自感式电感传感器
一、自感式传感器工作原理
L NΦ IN Φ I RM
l1 铁芯
RM RF R
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
§5.1 自感式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
1、交流电桥式测量电路
电桥输出电压为
U o
RZ (L L ) U 1 2 Z ( Z R)
差动式传感器的电感灵敏度K0为
L 2 K0 / L0 0
线性处理后电桥输出电压为
生物医学传感器 及应用
第五章 电感式传感器
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
第5章 电感式传感器原理及其应用
自感式传感器结构图
5.2.2自感式传感器的工作原理 自感式传感器的工作原理 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化 的变化， 自感式传感器是把被测量变化转换成自感 的变化， 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁） 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相 当动铁芯移动时， 连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度 δ 发生改变，引起磁路磁阻变化， 发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发 生改变，只要测量电感量的变化， 生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯 的位移量的大小和方向。 的位移量的大小和方向。
1.差动式自感传感器的结构 差动式自感传感器的结构
(a)变气隙式； 变气隙式； 变气隙式
（b）变面积式； ）变面积式； 差动式自感传感器
（c）螺管式 ）
三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电 感传感器的应用最广。 感传感器的应用最广。
变气隙式差动式自感传感器结构剖面图
2.差动式自感传感器的特点 差动式自感传感器的特点 自感系数特性曲线如图所示。 自感系数特性曲线如图所示。
（4）调相电路 ） 调相电路的基本原理是， 调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起 的变化。 输出电压相位 ϕ 的变化。
第5章 电感式传感器原理及其应用 章
5.1概述 概述 5.2 自感式传感器 5.3差动变压器式传感器 差动变压器式传感器 5.4电涡流式传感器 电涡流式传感器
5.1概述 概述
1.电感式传感器的定义 电感式传感器的定义 利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈 的变化， 自感系数 L 或互感系数 M 的变化，再由测 量电路转换为电压或电流的变化量输出， 量电路转换为电压或电流的变化量输出，这 种装置称为电感式传感器。 种装置称为电感式传感器。
精品文档-测试技术与传感器(罗志增)-第5章
第5章 电感式传感器 图 5-10 电压输出型全波整流电路(全波电压输出)
第5章 电感式传感器
从图5-10的电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时
电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容
C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输出电压为
U 2
以
UU2240；U当68衔。铁当在衔零铁位在以零上位时时，，因因为为
线，虚线为实际特性曲线。
以上分析表明，差动变压器输出电压的大小反映了铁芯位
移的大小，输出电压的极性反映了铁芯运动的方向。
第5章 电感式传感器 图 5-9 差动变压器输出电压的特性曲线
第5章 电感式传感器 由图5-9可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输
出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称 为零点残余电压。它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造 成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压主要是由传感 器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的 非线性等引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和 高次谐波组成。基波产生的主要原因是传感器的两次级绕组的电 气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等， 相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中的感应电势都 不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，其产生的 原因是磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电 压一般在几十毫伏以下，实际使用时，应设法减小它，否则将会 影响传感器的测量结果。
Δ 0
2
Δ 0
3
(5-8)
第5章 电感式传感器
由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即
ΔL
L0
Δ 0
传感器5第五章磁电式传感器
霍尔式传感器的应用之二
霍尔式转速计
工作原理及用途： 工作原理及用途：
被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适 用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求 ，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜 长期工作。
第五章 磁电式传感器
磁是人们所熟悉的一种物理现象， 磁是人们所熟悉的一种物理现象，最简单的把磁 转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律， 转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律， 在切割磁通的电路里， 在切割磁通的电路里，产生与磁通相变化速率成正比 的感应电动势。 的感应电动势。 磁传感器的种类较多， 磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导 磁性体、超导体等， 体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁传感器其 工作原理和特性也不相同。 工作原理和特性也不相同。 磁电式传感器主要是通过磁电作用将被测量(如振动、 磁电式传感器主要是通过磁电作用将被测量(如振动、 主要是通过磁电作用将被测量 位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。 位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。 类型： 类型： 磁电感应式传感器 霍尔式传感器 磁栅式传感器
β α RP = Ri 0 α
β α
β RP = Ri 0 α
选择 RP 可减小温度的影响
（2）合理选择负载电阻 ）
β RL = R00 1 α
R。。---温度为t。时的输出电阻 。。---温度为t
（3）采用恒压源和输入回路串联电阻 ）
当霍尔元件采用稳压电源供电， 当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔 输出开路状态工作时， 输出开路状态工作时，可在输入回路串入适 当电阻来补偿温度误差。 当电阻来补偿温度误差。
工作原理： 工作原理：
根据法拉第电磁感应定律： 根据法拉第电磁感应定律： 线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所 在磁场的磁通变化时， 在磁场的磁通变化时，线圈所产生的感应电 动势的大小取决于穿过线圈磁通的变化率。 动势的大小取决于穿过线圈磁通的变化率。
第5章电感传感器。
第三节 电感式传感器的应用
一、位移测量
轴向式 电感测微 器的外形
航空插头
红宝石测头
其他电感测微头
模拟式及数字式 电感测微仪
轴向式电感测微器的内部结构
1—引线电缆 2—固定磁筒
3—衔铁
4—线圈
5—测力弹簧 6—防转销
7—钢球导轨（直线轴承）
8—测杆
9—密封套
10—测端 11—被测工件
12—探基头准面
当 ? ? ?? 1时，
? L2
?
??
?
? ?
?
?
2
? ?
?
? ?
?
?
3
? ?
? ......
?0
L0 ? 0 ? ? 0 ? ? ? 0 ?
忽略高次项： ? L2 ? L0 ? ? ?0
12
2、差动自感传感器
衔铁下移：
L1 ? ? 0 AW 2
?
2(? 0 ? ? ? )
L2 ? ? 0 AW 2 2(? 0 ? ? ? )
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5.2.1 差动变压器
变隙式差动变压器 螺线管式差动变压器 差动变压器应用
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变隙式差动变压器
当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出 互感变化时，输出电压将作相应变化
两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。
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1. 工作原理
3
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?
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?
? ??0
5
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?
......
? ?
?
?
电感式传感器习题及解答
第5章电感式传感器一、单项选择题1、电感式传感器的常用测量电路不包括（）。
A. 交流电桥B. 变压器式交流电桥C. 脉冲宽度调制电路D. 谐振式测量电路2、电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，下列说法不正确的是（）。
A. 衔铁上、下移动时，输出电压相位相反B. 衔铁上、下移动时，输出电压随衔铁的位移而变化C. 根据输出的指示可以判断位移的方向D. 当衔铁位于中间位置时，电桥处于平衡状态3、下列说法正确的是（）。
A. 差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置。
B. 差动整流电路可以判断衔铁的位置，但不能判断运动的方向。
C. 相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向。
D. 相敏检波电路可以判断位移的大小，也可以判断位移的方向。
4、对于差动变压器，采用交流电压表测量输出电压时，下列说法正确的是（）。
A. 既能反映衔铁位移的大小，也能反映位移的方向B. 既能反映衔铁位移的大小，也能消除零点残余电压C. 既不能反映位移的大小，也不能反映位移的方向D. 既不能反映位移的方向，也不能消除零点残余电压5、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有（）。
A．直流电桥 B．变压器式交流电桥C．差动相敏检波电路 D．运算放大电路6、通常用差动变压器传感器测量（）。
A．位移 B．振动 C．加速度 D．厚度7、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有( )。
A．直流电桥 B．变压器式交流电桥C．差动相敏检波电路 D．运算放大电路二、多项选择题1、自感型传感器的两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度（）。
A. 提高很多倍B. 提高一倍C. 降低一倍D. 降低许多倍2、电感式传感器可以对（）等物理量进行测量。
A位移 B振动 C压力 D流量 E比重3、零点残余电压产生的原因是（）A传感器的两次级绕组的电气参数不同B传感器的两次级绕组的几何尺寸不对称C磁性材料磁化曲线的非线性D环境温度的升高4、下列哪些是电感式传感器？（）A．差动式 B.变压式 C.压磁式 D.感应同步器三、填空题1、电感式传感器是建立在基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为或的变化，并通过测量电路进一步转换为电量的变化，进而实现对非电量的测量。
电感式传感器实验
电感式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的了解模拟量电感传感器的响应特性；熟悉评估测量的重复性、直线度和磁滞误差；掌握确定模拟量电感传感器的灵敏度。
二、实验内容及基本原理（一）实验内容使用螺旋测微器带动电感式传感器衔铁横向位移，产生电感变化，利用测量电路，将电感变化转换成电压输出，从而将位移与电压输出建立联系。
（二）实验原理差动变压器的工作原理电磁互感原理。
差动变压器的结构如图1所示，由一个一次绕组1 和二个二次绕组2、3 及一个衔铁4 组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接(＊同名端相接)，以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响)，它的等效电路如图2所示。
图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1 分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，图1 差动变压器的结构示意图图2 差动变压器的等效电路图因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。
在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。
同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
差动变压器的输出特性曲线如图3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x 表示衔铁偏离中心位置的距离。
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实验第5章电感式传
感器
实验名称：电感式传感器测试实验
一、实验目地：
1． 了解差动变压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。
2． 利用差动螺管式电感传感器进行位移测量。
3．
了解不同的激励频率对差动螺管式电感传感器的影响。
实验一. 差动变压器的基本结构及原理
二、实验原理：
差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。
差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。
其原理及输出特性见图（9）
三、实验环境
差动变压器、音频振荡器、测微头、示波器。
四、实验步骤：
1．按图接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV 端功率输出，双线示波器第一通道灵敏度500mv/格，第二通道10mv ／格。
2．音频振荡器输出频率5KHZ ，输出值V P －P 2V 。
3．用手提压变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。
示波器
4．旋动测微头，带动差动变压器衔铁在线圈中移动，从示波器中读出次
位移
mm
电压
V
5. 根据表格所列结果，画出Vop-p－X曲线，指出线性工作范围。
（可附在后面）
实验二. 差动螺管式电感传感器位移测量
二、实验原理：
利用差动变压器的两个次级线圈和衔铁组成。
衔铁和线圈的相对位置变化引起螺管线圈电感值的变化。
次级二个线圈必须呈差动状态连接，当衔铁移动时将使一个线圈电感增加，而另一线圈的电感减小。
三、实验环境
差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微头。
四、实验步骤：
1．差动变压器二个次级线圈组成差动状态，按图接线，音频振荡器LV 端做为恒流源供电，差动放大器增益适度。
差动变压器的两个线圈和电桥上的两个固定电阻R组成电桥的四臂，电桥的作用是将电感变化转换成电桥电压输出。
2．旋动测微头使衔铁在线圈中位置居中，此时Lo′＝Lo″，系统输出为零。
3．当衔铁上、下移动时，Lo′≠Lo″，电桥失衡就有输出，大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁移动方向有关，衔铁向上移动和向下移动时输出波形相位相差约180°，由于电桥输出是一个调幅波，因此必须经过相敏检波器后才能判断电压极性，以衔铁位置居中为起点，分别向上、向下各位移5mm，
Xmm
V
实验三. 激励频率对电感传感器的影响
二、实验原理：
改变输入信号的频率，观察输出灵敏度受到的影响。
三、实验环境
差动变压器、电桥、音频振荡器、差动放大器、双线示波器、测微头。
四、实验步骤：
1．差动放大器增益适度，调零，按图接线。
2．装上测微头，调整衔铁处于线圈中间位置，调节电桥使系统输出为最小。
3．选择不同的音频振荡器频率，旋动测微头，移动衔铁，每隔1mm从示波器读出V P-P值，填入表格
5．根据所测数据在同一坐标上做出V－X曲线，计算灵敏度，并做出灵敏度与频率的关系曲线。
由此可以看出，差动螺管式电感传感器的灵敏度与频率特性密切相关，在某一个特定频率时，传感器最为灵敏，在其两边，灵敏度都有所下降，故测试系统中应选用这个激励频率。