第三章-电感式传感器传感器解析
合集下载
3、电感式传感器详解
变间隙式电感传感器L-δ特性
第三章 电感式传感器
第三章 电感式传感器
（1）当衔铁上移Δδ时, 传感器气隙减小Δδ,
即δ=δ0－Δδ, 则此时输出电感为L = L0+ΔL,
N 2 0 s0 L0 L L0 L 2( 0 ) 1
0 当Δδ/δ<< 1时, 可将上式用泰勒级数展开
N , r , rc k
第三章 电感式传感器
二、自感线圈的等效电路
自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线 圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。 Io
Rc Re —— 铜损电阻； Rc —— 铁心涡流损耗；
C
Rh Re L
Rh —— 铁心的磁滞损耗；
C —— 分布等效电容（线圈 绕组间）。
第三章 电感式传感器
3、磁滞损耗电阻Rh
铁心磁滞损耗功率： P
h
40 SlH f 3
3 m
（近似经验公式）
0 —— 空气磁导率；
S —— 铁心截面积；
l —— 铁心长度；
—— 与材料有关的瑞利系数；
Hm —— 磁强度幅值；
第三章 电感式传感器
Rh
U
2 L
Ph
3 L I f
转换电路类型：
*调幅式：x——A
调频式： x——f（） 调相式： x——
第三章 电感式传感器
1、调幅电路
(1) 变压器电路 z2 初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0 输出空载电压
u u u Z1 Z 2 u0 Z1 Z1 Z 2 2 2 Z1 Z 2
u/2
u0
0 s 0 r s 灵敏度
k0 dL K ds
第03章电感式传感器
双T电桥电路
脉冲调制电路
组成=转子+定子（如图）
长感应同步器示意图 a）定尺 b)转尺
圆感应同步器示意图 a）定子 b)转子
感应同步器的优点
①具有较高的精度与分辨力。 ②抗干扰能力强。 ③使用寿命长，维护简单。 ④可以作长距离位移测量。 ⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于 大位移静态与动态测量中 ;圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的 转台以及各种回转伺服控制系统中。
• 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积
就发生变化，因而导致电容量变化。
4.2.2 变面积型电容式传感器
+ + +
4.2.2 变面积型电容式传感器
• 线位移型电容式传 感器
• 平面线位移型和圆 柱线位移型两种。
4.2.3 变介电常数型电容传感器
• 变介电常数型电容传感器的结构原理如图 所示
0
(4-3)
4.2.1 极距式电容传感器
由式（4-3）可知, 传感器的输出特性C = f (δ)
不是线性关系,而是双曲线关系
此时C1与Δδ近似呈线性关系, 所以变极距型电
容式感器只有在Δδ / δ0很小时, 才有近似的线 性输出
4.2.1 极距式电容传感器
另外, 由式（4 - 3）可以看出, 在δ0较小时, 对 于同样的Δδ变化所引起的ΔC可以增大, 从而使传
4.2.1 极距式电容传感器
一般变极板间距离电容式传感器
• 起始电容在 20～100pF之间, • 极板间距离在25～200μm的范围内, • 最大位移应小于间距的1/10,
3电感式_自感式传感器解析
自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。
1 2
l 2 x
r
δ
3
2ra
1
变间隙型、变面积型
图4-1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图4-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
螺管型
一、工作原理（变间隙型）
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙δ 隔开。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致 了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少， Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，设A点电位为正，B点电位为负， 二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大 而比平衡时的C点电位降低；
而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位 增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
四、转换电路
1、调幅电路
调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，它的作用是 将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交 流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工 作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕 组或紧耦合电感线圈。
当衔铁上移时：L2 L0
0
有下式：
L2 ( )2 ( )3 ...... L0 0 0 0
忽略高次非线性项Δ L与L0和Δ δ 成线性关系。同时由 于Δ L1与Δ L2不等，故在测量范围较小时，测量精度才高， 故此类适于小位移测量。
1 2
l 2 x
r
δ
3
2ra
1
变间隙型、变面积型
图4-1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图4-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
螺管型
一、工作原理（变间隙型）
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙δ 隔开。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致 了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少， Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，设A点电位为正，B点电位为负， 二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大 而比平衡时的C点电位降低；
而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位 增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
四、转换电路
1、调幅电路
调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，它的作用是 将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交 流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工 作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕 组或紧耦合电感线圈。
当衔铁上移时：L2 L0
0
有下式：
L2 ( )2 ( )3 ...... L0 0 0 0
忽略高次非线性项Δ L与L0和Δ δ 成线性关系。同时由 于Δ L1与Δ L2不等，故在测量范围较小时，测量精度才高， 故此类适于小位移测量。
第3章电感式传感器原理及其应用详解
变面积式自感传感器:
铁芯 衔铁
线圈
δ
L N 2S0 2
变面积式自感传感器结构
灵敏度为: k dL N20 dS 2
由于漏感等原因,其线性区范围较小，灵敏度也较低，因 此，在工业中应用得不多。
螺管式自感传感器:
传感器工作时,衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺 管线圈电感量的变化。
对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时， 可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的 插入深度l大致上成正比。
δ
由于 Nm LI,
Fm
NI,m
Fm Rm
可得: L N 2
Rm
磁路的总磁阻可表示为:
Rm
li 2 iSi 0S
近似计算出线圈的电感量为:
L N 2S0 2
当线圈匝数N为常数时,电感L仅仅是磁路中
磁阻的函数，只要改变 或S均可导致电感变化。
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S的传感器。
差动式与单线圈电感式传感器相比,具有以下优点。 （1）线性度高。 （2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。 （3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度
的影响，由于能互相抵消而减小。 （4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而
减小。
3.2.4电感式传感器的测量电路
➢ 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变 化。为了测出电感量的变化,就要用转换电路把电感 量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的 转换电路有调幅、调频和调相电路。
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）相
连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度
传感器与检测技术第三章电感式传感器
架。二节式差动变压器的铁芯长度为全长的60%-80%。铁 芯采用导磁率高，铁损小，涡流损耗小的材料 (4)在不使线圈过热的条件下尽量提高激励电压。
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
三、转换电路 1．反串电路
•2．桥路
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
3．差动整流电路
感•传式感传器感与器检测技术
感•传式感传器感与器检测技术
一、高频反射式涡流传感器
•线圈上通交变高频电流 •线圈产生高频交变磁场
•产生高频交变涡流 •涡流产生反磁场 •阻碍线圈电流交换作用 •等效于L或阻抗的改变
感•传式感传器感与器检测技术
二、低频透射式涡流传感器
• U L1 • 同频交变电流 • 产生一交变磁场 • 磁力线切割M • 产生涡流I • 到达L2的磁力线
传感器与检测技术第三章电 感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
原理
电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。
•位 移 •被测物理量 •振 动 •压 力 •流 量 •比
•传感 •的变 器 化
•自感系数 L
•电路 •电
•互感系数
•的变 化
压
M
•电
流
感•传式感传器感与器检测技术
电感传感器优点
▪ 灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； ▪ 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； ▪ 性能稳定，重复性好 ； ▪ 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力
感•传式感传器感与器检测技术
第一节 自感式传感器
四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响 ▪ 电源电压的波动一般允许为5%～10%。 ▪ 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响 ▪ 为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
三、转换电路 1．反串电路
•2．桥路
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
3．差动整流电路
感•传式感传器感与器检测技术
感•传式感传器感与器检测技术
一、高频反射式涡流传感器
•线圈上通交变高频电流 •线圈产生高频交变磁场
•产生高频交变涡流 •涡流产生反磁场 •阻碍线圈电流交换作用 •等效于L或阻抗的改变
感•传式感传器感与器检测技术
二、低频透射式涡流传感器
• U L1 • 同频交变电流 • 产生一交变磁场 • 磁力线切割M • 产生涡流I • 到达L2的磁力线
传感器与检测技术第三章电 感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
原理
电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。
•位 移 •被测物理量 •振 动 •压 力 •流 量 •比
•传感 •的变 器 化
•自感系数 L
•电路 •电
•互感系数
•的变 化
压
M
•电
流
感•传式感传器感与器检测技术
电感传感器优点
▪ 灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； ▪ 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； ▪ 性能稳定，重复性好 ； ▪ 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力
感•传式感传器感与器检测技术
第一节 自感式传感器
四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响 ▪ 电源电压的波动一般允许为5%～10%。 ▪ 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响 ▪ 为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件
第三章 电感式传感器
所以
a L L' L0 L0 a
L L0 1 K0 a a
其灵敏度系数K0为
但是，由于漏感等原因，变面积式自感传感器在A=0时，仍 有一定的电感，所以其线性区较小，为了提高灵敏度，常将 δ做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，它的量程 也不大，在工业中用得不多。
3 螺管型自感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁 芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管 线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁 芯的位移量有关。
螺旋管
l r 铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度， 比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。
U SC
Z1 Z2 Z1 Z 2 E E L1 L2 （Z1 Z2） 2 （Z1 Z2） 2
δ δ δ 2 δ 3 L1 L0 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
L2 L0 δ δ δ 2 δ 3 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
R
L L1 L2 2 L0 [1 0 0
L 2 L0 0
2
]
4
L L0 2 K0 0
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提 高一倍。 ②差动式自感传感器非线性失真小。
第三章 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 电量如位移、压力、振动、流量等转换成线圈自 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的传感器。
3检测技术-电感式传感器
L2
L2
L20
L0
0
0
2
0
3
差动自感传感器测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
两个桥臂为传感器的线圈，另外两个为平衡电阻
交流电桥结构示意图
等效电路
初始状态时：
Z10 r1 jL1, Z20 r2 jL2 , Z3 Z4 R
r1 r2 r0 ,
L1 L2 L0 ,
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
传感器衔铁移动方向相反时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向 相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。
3.1.6 零点残余电压
Z10 Z20 Z0
衔铁上移时：Z1 Z0 Z1,
Z1 jL1
Z2 Z0 Z2 ,
输出电压为：
Z2 jL2
U0
U AC
(Z0 Z1)R (Z0 Z2 )R 2R(Z0 Z1 Z0 Z2 )
U AC 2
Z1 Z2 2Z0 Z1 Z2
U0
U AC 4
Z1 Z2 UAC
• u0的幅值要远 大于输入信号u2 的幅值, 以便有 效控制四个二极
管的导通状态。
• u0和u2由同一振荡器提供，保证二者同频、 同相（或反相）。
当位移Δx = 0时
i3
i1
i2
i4
当位移Δx = 0时，UL=0
当位移Δx > 0时, u2 与u0同频同相, 当位 移Δx< 0时 , u2与u0 同频反相。
布电容。
e
e1
零点残余电压的波形
第三章电感式传感器n
传感器实现了把被测量转变为自感和互感 量的变化，如何将电感值随外作用的变化转换 成可用的电信号，这是本节研究的内容。原则 上讲可将自感的变化转换成电压（电流）的幅 值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、 调频、调相电路。
如何将电感值随外作用的变化转换成可用 的电信号，这是本节研究的内容。
差动变压器的三种转换电路 1.
L0
0
( 1
1
)
0
按级数展开得
L2 L0
同样忽略高次项得
0
[1
(
0
)
(
0
)2
...]
L2
L0
0
可见，在不考虑非线性误差的情况下气隙增加和减小时， 电感的变化量相同的。
即
L
L0
0
此时，传感器的灵敏度为
非线性误差为
L
K0
L0
1
0
0
气隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。
变压器式交流电桥测量电路
如图所示, 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
1/2 阻抗。当负载阻抗为无穷 大时, 桥路输出电压
U0
Z1 U Z1 Z2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z 电桥平衡。
U 0 =0,
再设 I1 I1e jt
则 dI1 / dt jI1e jt E jMI1
又因为 I1 U /(R1 jL1)
输出电压：
.
.
.
U 0 E jM U/(R1 j L1)
输出电压有效值
如何将电感值随外作用的变化转换成可用 的电信号，这是本节研究的内容。
差动变压器的三种转换电路 1.
L0
0
( 1
1
)
0
按级数展开得
L2 L0
同样忽略高次项得
0
[1
(
0
)
(
0
)2
...]
L2
L0
0
可见，在不考虑非线性误差的情况下气隙增加和减小时， 电感的变化量相同的。
即
L
L0
0
此时，传感器的灵敏度为
非线性误差为
L
K0
L0
1
0
0
气隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。
变压器式交流电桥测量电路
如图所示, 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
1/2 阻抗。当负载阻抗为无穷 大时, 桥路输出电压
U0
Z1 U Z1 Z2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z 电桥平衡。
U 0 =0,
再设 I1 I1e jt
则 dI1 / dt jI1e jt E jMI1
又因为 I1 U /(R1 jL1)
输出电压：
.
.
.
U 0 E jM U/(R1 j L1)
输出电压有效值
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用课件
衔铁上移，设Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，则
•
•
UZ UL
U0 2
Z
2
L
变压器电桥原理图
同理衔铁下移时 •
•
U0
-UZ-UL 2 Z 2 L 电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压U0大小
相等、方向相反，即相位互差180º，可反映衔铁移动的方向。 为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
假定电桥输出端的负载为无穷大, 则得输出电压
U sc Z U 1s rZ Z 1 2 Z U 3s rZ Z 3 4 (Z 1 Z 1 Z Z 4 2 ) (Z Z 3 2 Z 3 Z 4 )U sr
起始衔铁处于中间位置：
1 2 0
L1 L2 L0
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
一、差动变压器式传感器结构及原理
差动变压器式传感器, 简称差动变压器, 是一个有可动铁 芯和两个次级线圈的变压器。
传感器的可动铁芯和待测物相连, 两个次级线圈接成差 动形式, 可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电 动势的变化, 从而得到待测位移。
I1 Usr
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
四、测量电路 1、交流电桥
实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用, 这样既提高了灵敏度，又改善了线性度。
Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂
起始位置 衔铁处于中间，气隙相等，电桥平衡。
当衔铁偏离中间位置，两边气隙不 等，两只电感线圈的电感量一增一 减，电桥失去平衡。
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
第3章 电感式传感器
参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位 等都可以用电感式传感器来进行测量。
应用示例
图3.11为测气体压力的传感器原理图。
附图1
图3.12为压差传感器的原理结构示意图。
3 4
附图1为位移传感器的外形图。
2 6 7 p
5
附图2为压力传感器的原理图。
1
附图2
1-弹簧管 2-螺钉 3、7-铁芯 4、6-线圈 5-衔铁
第3 章 电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互
感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来
实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为 自感式和互感式两大类。
电感式传感器
自感型
闭磁路型 开磁路型 差动变压器
互感型
涡流式
本章内容：
3.1 自感式传感 器互感式传感器 3.2
IW Rm
I----线圈中流过的电流；
φ----穿过线圈的磁通，其值为：
(3.2)
其中磁路磁阻Rm按下式计算：
li 2l0 Rm 0 S0 i 1 i S i
n
(3.3)
式中：
l i、S i 、 µ i ----分别为铁芯和衔铁磁路上第 i 段的长度、截面积
及磁导率；
l 0、S 0 、 µ 0 ----分别为磁路上空气隙的长度、等效截面积及空气
2 4 3
骨架；4是匝数为W1 的初级绕组；5是
匝数为W2a的次级绕组；6是匝数为W2b 的次级绕组。
6
图 3.13 螺线管式互感传感器结构图
工作原理：
互感传感器中两个次级线圈反向串接，其等效电路如图所示。 当初级绕组加以激励电压时，在 两个次级绕组中便会产生感应电动势 E2a和E2b。当活动衔铁处于中心位置 时，两互感系数M1=M2。因两个次级
应用示例
图3.11为测气体压力的传感器原理图。
附图1
图3.12为压差传感器的原理结构示意图。
3 4
附图1为位移传感器的外形图。
2 6 7 p
5
附图2为压力传感器的原理图。
1
附图2
1-弹簧管 2-螺钉 3、7-铁芯 4、6-线圈 5-衔铁
第3 章 电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互
感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来
实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为 自感式和互感式两大类。
电感式传感器
自感型
闭磁路型 开磁路型 差动变压器
互感型
涡流式
本章内容：
3.1 自感式传感 器互感式传感器 3.2
IW Rm
I----线圈中流过的电流；
φ----穿过线圈的磁通，其值为：
(3.2)
其中磁路磁阻Rm按下式计算：
li 2l0 Rm 0 S0 i 1 i S i
n
(3.3)
式中：
l i、S i 、 µ i ----分别为铁芯和衔铁磁路上第 i 段的长度、截面积
及磁导率；
l 0、S 0 、 µ 0 ----分别为磁路上空气隙的长度、等效截面积及空气
2 4 3
骨架；4是匝数为W1 的初级绕组；5是
匝数为W2a的次级绕组；6是匝数为W2b 的次级绕组。
6
图 3.13 螺线管式互感传感器结构图
工作原理：
互感传感器中两个次级线圈反向串接，其等效电路如图所示。 当初级绕组加以激励电压时，在 两个次级绕组中便会产生感应电动势 E2a和E2b。当活动衔铁处于中心位置 时，两互感系数M1=M2。因两个次级
第3章 电感式传感器-11.26
传 感 器 技 术 • 及 应 用 • 第 3 章 电 感 式 传 感 器
当传感器的衔铁处于中间位置，即 Z1=Z2=Z时，有U0=0，电桥平衡。 当传感器衔铁上移时，即Z1=Z+Δ Z， Z2=Z−Δ Z，此时
Z U L U Uo Z 2 L 2
传 感 器 技 术 及 应 用 第 3 章 电 感 式 传 感 器
感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
• 在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈
传 感 器 技 术 及 应 用 第 3 章 电 感 式 传 感 器
（b） （c） 图3-4 差动式电感传感器 （a）变气隙型；（b）变面积型；（c）螺管型 1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—导杆 （a）
传 感 器 技 术 及 应 用 • 第 3 章
传 感 器 技 术 及 应 用 第 3 章 电 感 式 传 感 器
图3-7 滚柱直径自动分选装置图 1—气缸 2—活塞 3—推杆 4—被测滚柱 5—落料管 6—电感测微器 7—钨钢测头 8—限位挡板 9—电磁翻板 10—容器（料斗）
传 感 电感式滚柱直径分选装置（外形） 器 技 （参考中原量仪股份有限公司资料） 术 及 滑道 应 用 第 3 章 电 感 式 传 感 器
线圈中电感量为:
W L I I
• 式中：ψ ——线圈总磁链；I ——通过线圈 的电流；W——线圈的匝数； ——穿过线圈 电 的磁通。 感
式 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用 第 3 章 电 感 式 传 感 器
IW Rm
l1 l2 2 Rm 1S1 2 S2 0 S0
分选仓位
轴承滚子外形
传 感 器 技 术 及 应 用 第 3 章 电 感 式 传 感 器
传感器详解—电感式传感器
传感器详解—电感式传感器今天的主角是电感式传感器。
电感式传感器原理是利用线圈的自感或者互感系数变化来实现非电量检测的一种装置，看这句话可能会有些懵逼，别急，看不懂先跳过。
电感式传感器能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。
跟其他类型传感器相比：优点是结构简单，灵敏度高，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，测量精度高；缺点是响应比较慢，不适宜快速动态测量。
分辨率与测量范围有关，范围越大、分辨率越低。
电感式传感器又分好几种，这里主要介绍变磁阻式传感器、差动变压器式传感器和电涡流式传感器。
1. 变磁阻式传感器：变磁阻式传感器核心结构如图：线圈、铁芯和衔铁。
铁芯和衔铁之间有一层气隙，线圈和铁芯固定不动，衔铁跟导杆一起连接在被测件上。
在测量时，衔铁跟随被测件移动时，气隙厚度发生变化，随之磁路中的磁阻发生变化，最终导致电感线圈中的电感值发生变化。
略过推导过程，看最终的公式的话：最终公式L=W²/R=W²μS/2ρ L：线圈电感 W：线圈匝数μ：空气导磁率 R：总磁阻 S：气隙的截面积ρ：气隙厚度从公式里看到，最终的参数中，W（线圈匝数）和μ（空气导磁率）固定不变，线圈内的电感（L）也就只有和S（气隙的截面积）和ρ（气隙的厚度）有关，改变气隙截面积和厚度中的任意一项，电感都会发生变化。
因此根据修改不同的参数，变磁阻式传感器又分成变气隙型电感式传感器和变面积型电感式传感器，变气隙型使用最为广泛。
在实际应用中，经常是采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。
两个相同的线圈固定不动，衔铁置于两线圈间。
当衔铁跟随被测件上下移动时，两个线圈产生的磁回路中磁阻发生大小相等，但方向相反的变化，导致一个线圈电感量增加，另一个线圈电感量减少，形成差动形式。
（看下面动图更直观）使用差动式的电感传感可以改善线性，提高灵敏度。
同时对温度、电源频率等进行补偿，很大程度上减少了外界的干扰误差。
第3章电感式传感器
第3章电感式传感器本章要点：电感式传感器的概念、原理、种类、特性及用途变磁阻式传感器的结构、原理及应用差动变压器式传感器的结构、原理及应用电涡流式传感器的结构、原理及应用概述电感式传感器(inductance type transducer)是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的转变，再由测量电路转换为电压或电流的转变量输出的一种传感器。
由铁心和线圈组成的将直线或角位移的转变转换为线圈电感量转变的传感器，又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是必然的，其电感量的转变是由于位移输入量致使线圈磁路的几何尺寸转变而引发的。
当把线圈接入测量电路并接通鼓励电源时，就可取得正比于位移输入量的电压或电流输出。
依照工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式传感器（variable reluctive transducer）、变压器式传感器(transformer type transducer )和电涡流式传感器(eddy current type transducer)等种类。
外形如彩图3、彩图3-1及彩图3-2所示。
电感式传感器有以下特点：工作靠得住，寿命长；灵敏度高，分辨率高(位移转变μm，角度转变’’)；测量精度高，线性好(非线性误差可达%%)；性能稳固，重复性好。
电感式传感器的要紧缺点是灵敏度、线性度和测量范围彼此制约,存在交流零位信号，传感器自身频率响应低，不适用于高频动态测量。
电感式传感器要紧用于位移测量和能够转换成位移转变的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和操纵，在工业自动操纵系统中被普遍采纳。
在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式操纵位置误差的电子信号发生器，其用途超级普遍。
第3章 电感式传感器
5
第3章 电感式传感器
Rm RF Rδ
l1 l 2 2 2 1S1 2 S2 0 S 0 S
ll —— 磁通通过铁芯的长度(m)； Sl —— 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)；
S2 —— 衔铁横截面积(m2)；
1. 结构和工作原理 2. 输出特性
3. 测量电路
17
第3章 电感式传感器
1.结构和工作原理
变气隙厚度式差动结构
变面积式差动结构
螺管式差动结构
以变气隙厚度式差动电感传感器为例： 初始状态时，衔铁位于中间位臵，两边空隙相等。因此，两只电感线 圈的电感量相等，电桥输出为0，即电桥处于平衡状态。 当衔铁偏离中间位臵向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两 只电感线圈的电感量一增一减（变化量相等），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。 向下、向上移动同样位移，输出电压幅值相等相位相差180º 。因此，只要能 测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。
灵敏度
L L0 KL x a
13
第3章 电感式传感器
五、螺管插铁型电感传感器
结构：一个螺管线圈内套入一个活动 的柱型衔铁，就构成了螺管型电感传感器。 （开磁路） 工作原理：螺管型电感传感器是基于 线圈激励的磁通路径因活动的柱型衔铁的 插入深度不同，其磁阻发生变化，从而使 线圈电感量产生了改变。在一定范围内， 线圈电感量与衔铁位移量（衔铁插入深度） 有对应关系。
2
3.2 差动变压器式传感器（互感）
第3章 电感式传感器
3.1 电感式传感器
第3章 电感式传感器
Rm RF Rδ
l1 l 2 2 2 1S1 2 S2 0 S 0 S
ll —— 磁通通过铁芯的长度(m)； Sl —— 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)；
S2 —— 衔铁横截面积(m2)；
1. 结构和工作原理 2. 输出特性
3. 测量电路
17
第3章 电感式传感器
1.结构和工作原理
变气隙厚度式差动结构
变面积式差动结构
螺管式差动结构
以变气隙厚度式差动电感传感器为例： 初始状态时，衔铁位于中间位臵，两边空隙相等。因此，两只电感线 圈的电感量相等，电桥输出为0，即电桥处于平衡状态。 当衔铁偏离中间位臵向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两 只电感线圈的电感量一增一减（变化量相等），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。 向下、向上移动同样位移，输出电压幅值相等相位相差180º 。因此，只要能 测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。
灵敏度
L L0 KL x a
13
第3章 电感式传感器
五、螺管插铁型电感传感器
结构：一个螺管线圈内套入一个活动 的柱型衔铁，就构成了螺管型电感传感器。 （开磁路） 工作原理：螺管型电感传感器是基于 线圈激励的磁通路径因活动的柱型衔铁的 插入深度不同，其磁阻发生变化，从而使 线圈电感量产生了改变。在一定范围内， 线圈电感量与衔铁位移量（衔铁插入深度） 有对应关系。
2
3.2 差动变压器式传感器（互感）
第3章 电感式传感器
3.1 电感式传感器
第三章-电感式传感器传感器解析
U
U0 2 0
3.变压器式交流电桥(P87)
图中A点的电压为：U A
E
Z2 Z1 Z2
图中B点的电压为：U B
E 2
输出电压：
U0
UA
UB
Z1 Z2 2(Z1 Z2 )
E
讨论：
（1）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时U0=0,电桥平衡； （2）当铁芯向下移动时，Z2=Z+ΔZ，Z1=Z-ΔZ 得：
自感式传感器（变自感L）
类型： 差动变压器（变互感M） 电涡流式传感器（变自感L）
§3.1 自感式传感器 §3.2 差动变压器 §3.3 电涡流传感器
§3.1 自感式(变磁阻)传感器
一、工作原理：
由2铁芯、1线圈、 3衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时，气 隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的 电感值变化。
UO
Z
Z 2Z
1 2
E
Z 2Z
E
E 2
RS RS
jL jL
幅值为：
UO
2L2 RS2
2 RS2 L2
E
2
L E
RS2 L2
(3)当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-ΔZ, Z1=Z+ΔZ，得：
U0
E
U 0
E2a
E2b
j(M a
Mb )I1
j(M a
Mb)
R1
U
jL1
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
L 。
L0
0
变气隙式自感传感器的灵敏度为:
K L L0 1
0
灵敏度K随初始气隙的ຫໍສະໝຸດ 大而减小。非线性误差为:2
0 100 %
0 0
可见非线性误差随 的增大而增大
0
存在矛盾:测量范围（大）、灵敏度（高）、线性度（小）相矛盾
大
小
0
1 0
因此变隙式常用于测量微小位移的场合，并且通常采用差动式
2.差动变气隙式自感传感器
采用差动变隙式，可以减 小非线性，提高灵敏度。
差动变隙式的电感变化量为:
L L 1 L 2 2 (0 0 S N 2) 2 (0 0 S N 2) 2 L 0 01 ( 10 ) 2
差动式电感传感器的电感相对变化量为:
L2
1
L0
0 1(0)2
2
L=f(δ)为非线性关系 L＝f(S)的特性曲线为一直线。
L=f（S） L=f（δ） δ (S)
当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，L并不等于∞，而具有一定的数 值，考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。
1.变气隙式自感传感器
初始电感量为:
L0
0SN 2 2 0
若衔铁下移∆δ: δ= δ0+ ∆δ
当 ，1 上式展开成泰勒级数：
LL 002 0 1 0 2 0 4...
忽略高次项，可得:
L
2
L0
0
差动变隙式灵敏度为:
K
L L0
2
0
非线性误差为：
3
0
2
100%
0
0
结论:
①差动式自感传感器的灵敏度比单 线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真减 小。
如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％;而差 动式的γ ＜1％
则电感减小，变化量为ΔL:
L L L 02 ( 0 0S N 2 )0 2 S N 02L 00
自感的相对变化量为: LL 00 01 1 0
一般
1，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为
0
LL 0 0 1 0 02 03...
忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系:
流电损阻耗R电C ;铁阻芯Re的等涡；
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。
图中，Rc为铜耗电阻;Re为涡流损耗电阻；Rh为磁滞损耗 电阻；C为线圈的匝间电容和分布电容。
电感式传感器等效阻抗:
Z
(R R
j
L )
j C
jL j
C
R
C
Z
L
R (1 2 LC )2
主要内容:
第三章 电感式传感器
Inductive Sensors
•掌握自感式传感器结构、原理及其基本特性; •掌握自感式传感器的电桥测量电路的输出特性； •掌握差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流 电路和相敏检波电路的工作原理； •掌握高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及基本特性； •掌握各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。
阻远较气隙磁阻小
则线圈自感L为: L N 20S 2
分类: ➢变气隙厚度δ的电感式传感器; ➢变气隙面积S的电感式传感器；
自感式电感传感器常见的形式
变气隙式
变截面式
螺线管式
1—线圈coil ;2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core
二、输出特性分析
L 0SN 2
L
类型： 差动变压器（变互感M） 电涡流式传感器（变自感L）
§3.1 自感式传感器 §3.2 差动变压器 §3.3 电涡流传感器
§3.1 自感式(变磁阻)传感器
一、工作原理:
由2铁芯、1线圈、 3衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时，气 隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的 电感值变化。
图中传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂 和Z 1 ，Z另2 外两个
相邻的桥臂用纯电阻代替。
设Z1=Z0+∆Z1, Z2=Z0-∆Z2 ∆Z1≈∆Z2= ∆Z
螺管线圈
l
r
铁芯
x
单线圈螺管型传感器结构图
2lc
Δlc r
x 线圈Ⅱ (a)
2l H（IN）
0.8 l 0.6 0.4
线圈Ⅰ
-1.2 -0.8 -0.4 0.2
x(l)
0.4 0.8 1.2 0.2
0.4
0.6
0.8 (b)
差动螺管型传感器结构图
三种自感传感器比较:
1）
具有线性度差、示值范围窄、自由行程小、 在小位移下 灵敏度很高的特点。 因此， 常用于直线小位移的测量， 以 及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。
③采用差动式传感器，还能抵消温 度变化、电源波动、电磁吸力等因 素对传感器的影响。
电感 电感
3. 螺管型电感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆 柱形铁芯及磁性套筒。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸 入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使 线圈自感发生变化。
j
L (1 2 LC )2
Q=wL/R高时:ZR'jL'
R
R (1 2 LC
)2
;
L'
(1
L 2 LC
)2
由以上分析，并联电容C的存在，会引起传感器性能的一系列 变化。因此，在实际测量中，若根据需要更换了连接电缆线的 长度，在高精度测量时应对传感器的灵敏度重新进行标定。
2.交流电桥式测量电路
线圈自感为:
LNN INN2 I I RM RM
式中:N ---线圈匝数 RM ---磁路总磁阻 IN （磁路欧姆定律） RM
变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a） 单边式
若很小，且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为:
RMl11 S1l22 S22 0S02 0S0
铁芯磁导率远大于空气 的磁导率，因此铁芯磁
2）
具有线性度良好、自由行程大、 示值范围宽、灵敏度较 低的特点，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。
3）螺管式自感式传感器
灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是 结构简单，制造装配容易
三、测量电路
1. 电感式传感器的等效电路
电感线圈的等效电路（如图）
实际传感器中，线 圈不可能是纯电感， 它包括线圈的铜损
11
概述
电感式传感器就是利用线圈自感或互感随被测量变化来实现测量 的一种装置。
被测量 → 线圈自感（互感） → UO（IO）
传感器的结构特征:具有线圈绕组 应用：可测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩等多种物理
量。 特点：灵敏度高、输出功率大、测量范围宽。但存在交流零位信
号，不宜于高频动态测量。 自感式传感器（变自感L）