第4章 电感传感器讲解

源频率以400Hz到10kHz为佳。 灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏
度越高。
2．线性范围
线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有 中间部分线性较好。
2008-10-3
13
退出
三、测量转换电路
差分变压器对测量转换电路的要求为： ①判别衔铁位移方向及大小； ②消除零点残余电压。
常用测量转换电路有差分相敏检波电路和差分整流电路。 1、相敏检波电路
2008-10-3
18
退出
三、电感传感器在仿形机床中的应用
1—标准靠模样板 2—测端 （靠模轮） 3—电感测微 器 4—铣刀龙门框架 5—立柱 6—伺服电动机 7—铣刀 8—毛坯
2008-10-3
19
退出
仿形铣床外形
仿形头
仿形机床采用 闭环工作方式
2008-10-3
主 轴
20
退出
四、电感式不圆度计原理
4）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。
2008-10-3
返7回
退出
五、测量转换电路
1．差动电感的变压器电桥转换电路
差动电感的变压器电桥转换电路如图。相邻两工作臂Z1、Z2是 差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。。
电路是以两个桥路 整流后的直流电压之差 作为输出的，所以称为 差动整流电路。它不但 可以反映位移的大小 （电压的幅值），还可 以200反8-10-映3 位移的方向。
15
退出
第三节 电感式传感器的应用
一、位移测量
电感测微仪及其测量电路框图
a)轴向式测试头
b)电感测微仪的原理框图
1-引线 2-线圈 3-衔铁 4-测力弹簧 5-导杆 6-密封罩 7-测头
2008-10-3
E D1 C
Z1
A Z2
D2 V D3 D4
F
D
Z3
B
U0
Z4
9
退出
相敏检波输出特性曲线
2008-10-3
a）非相敏检波 b）相敏检波 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
10
退出
第二节 差动变压器式传感器
一、工作原理
差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈
与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激
线圈电感量与截面积是一种线性关系。但由于漏感等原 因，在A=0时，仍有较大电感，所以其线性区较小，而且 灵敏度较低。电感传感器的输出特性如图
a）变隙式电感传感器的-L特性曲线 b）变面积式电感传感器的A-L特性曲线
2008-10-3
4
1－实际输出特性 2－理想输出特性
退出
四、差动电感传感器
在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用
2008-10-3
26
退出
本章小结
本章学习自感式传感器和差动变压 器的结构、工作原理、测量电路以及 他们的应用，掌握一次仪表的相关知 识。
2008-10-3
27
退出
励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互
感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采
用差动接法，故称为差动变压器。
＋
在线框上绕有一组输入线
圈在同一线框的上端和下端
再绕制两组完全对称的线圈，
它们反向串联，组成差动输
出形式。图中标有黑点的一
端称为同名端，通俗说法是
差动变压器结构示意图及外形图
同理，当衔铁上移时，则有
.
.
U ΔZ
U0 = -
2Z
8
退出
2．相敏检波电路
普通的全波整流：只能得到单一方向的直流电， 不能反映输入信号的相位。
相敏检波电路：如果输出电压 在送到指示仪前经过一个能判 别相位的检波电路，则不但可 以反映位移的大小，还可以反 映位移的方向，这种检波电路 称为相敏检波电路。相敏检波 电路的输出电压为直流，其极 Ui 性由输入电压的相位决定。采 用相敏检波电路，得到的输出 信号既能反映位移大小，也能 反映位移方向。
线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内
部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能
利用0~4mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提
供200工8-10-作3 电流，使一次仪表成为两线制仪表。
25
退出
4~20mA二线制仪表接线方法
4~20mA
4~20mA二线制数显表外形
指线圈的“头”。
1－2008一-10次-3 线圈 2－二次线圈 3－衔铁 4－测杆
11
退出
差动变压器式传感器的等效电路 结构特点： 两个二次线圈反 向串联，组成差 动输出形式。
当位移x很小时：
Uo=k |x | （无法判别位移方向）
2008-10-3
差动变压器原理图
12
退出
二、主要性能
1．灵敏度 为了获得高的灵敏度，尽量提高励磁电压，电
第三章 电感式传感器
1、掌握自感式传感器的结构、工作 原理、测量电路以及应用； 2、掌握差动变压器的结构、工作原 理、测量电路及应用； 3、掌握一次仪表的相关知识。
2008-10-3
1
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
由电工知识可知，流过线圈的交流电流为
I U U U (31) Z X L 2 fL
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。
5
退出
差动式电感传感器的特性
请分析：灵敏度、线性 度有何变化
从曲线图可以看出，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。
曲线1、2为L1、L2 的特性， 3为差动特性
2008-10-3
变隙式和变截面式电感量计算公式 ：
2008-10-3
L N 20 A 2
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。
3
退出
请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积
A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。
对于变隙式电感传感器，电感L与气隙厚度δ成反比，输入 输出是非线性关系。δ小，灵敏度就高。为了保证一定的线 性度，变隙式电感传感器只能用于微小位移的测量。
该圆度计采用旁向式电感测微头
2008-10-3
21
退出
电感式不圆度测试系统
旁wenku.baidu.com式电感测微头
不圆度测量打印
2008-10-3
22
退出
五、压力测量
2008-10-3
1—压力输入接头 2—波纹膜盒 3—电缆 4—印制线路板 5—差动线圈 6—衔铁 7—电源变压器 8—罩壳 9—指示灯 10—密封隔板 11—安装底座
2008-10-3
返16回
退出
二、电感式滚柱直径分选装置
滚柱直径分选装置
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）
2008-10-3
17
退出
电感式滚柱直径分选装置（外形）
（参考中原量仪股份有限公司资料）
滑道 分选仓位 轴承滚子外形
当衔铁处于中间位置时：它的平衡臂为变压器的二次侧绕组，当负
载阻抗无穷大时输出电压为
.
.
.
.
U 0 = U Z2 /(Z1 +
桥路平衡，输出电压=0。
Z2) -
U 2
=
U 2
(Z1
-
Z2) /(Z1 +
Z2)
由于是双臂工作形式，当衔铁下移
时，Z1= Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，则有
.
.
U0
=
U
ΔZ
2Z
2008-10-3
相敏检波电路要求比较电压和差动变压器次级输出电压
频率相同，相位相同或相反，通常在电路中接入移相电路。
另外由于比较电压在检波电路中是起开关作用的，因此其
2008-幅10-3 值应尽可能大，一般应为信号电压的3-5倍。
14
退出
2、差动整流电路
差动整流电路是常 用的电路形式，它对两 次级线圈的感生电动势 分别整流，然后再把两 个整流后的电流或电压 串成通路合成输出。
在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的输出
信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，
且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表
中多采用电流输出型。
4~20mA二线制输出方式
新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出为1~5V。
不让信号占有0~4mA这一范围的原因，一方面是有利于判断
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。结构示意图如图2-18
所示。
差动式电感传感器的结构
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
2008-10-3
要求两个导磁体的几何尺寸的
材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式电感传感器对外界影
响，如温度的变化、电源频率
23
退出
压力测量用的膜盒
膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所 谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄 膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时， 膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压 力变换为直线位移。
某一压力变送器的测量电路
2008-10-3
24
退出
六、一次仪表与 4~20mA二线制输出方式
上图所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合
6
退出
总结
通过以上三种形式的电感式传感器的分析，可以得出以 下几点结论：
1）变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装 配比较困难；
2）变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大， 使用比较广泛；
3）螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。
当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的
电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时， 磁阻变小、电感变大，电流减小。因此，可以利用自感量
随200气8-10-隙3 而改变的原理来制作测量位移的自感式传感器。
2
退出
自感式电感传感器常见的形式
变隙式
变截面式
单线圈螺线管式 电感传感器，当衔 铁工作在螺线管的 中部时，可以认为 线圈内磁场强度是 均匀的，此时线圈 电感量L与衔铁插入 螺线管式 深度l大致成正比。