第7章电感式传感器
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To 4.3.1
7.2 差动变压器式电感式传感器
工作原理：将被测量变化转化为传感器互感的变化。 形式：变气隙式、变面积式、螺管式
7.2.1 差动变压器式电感式传感器
1. 螺管形差动变压器 2. 差动变压器的信号调节电路 3. 差动变压器的应用
1. 螺管式差动变压器
1）结构与工作原理
螺管形差动变压器按绕组排列方 式有：一段式、二段式、三段式、四 段式及五段式。
(a) 工作原理
（b）电感与气隙的关系
线圈自感L ? W2 Rm
磁路总磁阻 Rm
?
l1
? 1 S1
?
l2
? 2 S2
?
2? ?S
由于铁心与衔铁磁阻 ??空气气隙磁阻
则L ? W2? S 2?
Rm
?
2? ?S
相应地，自感式电感传感器分为变气隙厚度?电感传感器、变气隙面积S 的电感传感器、 变铁芯磁导率? 的电感式传感器
第7章 电感式传感器
? 电感式传感器是一种机电转换装置， ? 特别是在自动控制设备中广泛应用。
各种电感式传感器
电 感 粗 糙 度 仪
接近式传感器
非接触式位移传感器 测厚传感器
电感式传感器应用 电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装筛选
7.1 变磁阻式电感式传感器
7.2 差动变压器式电感式传感器
将传感器接入一个LC振荡器中，当δ 变化，线圈阻抗L发生变化，使 振荡器的频率改变，通过鉴频器将频率变化变换成电压输出。
涡流传感器信号调理电路
7.3.2. 低频透射式涡流传感器
厚度测量 低频透射测厚仪，可无接触地测量金属板厚度或镀层 厚度。如图，发射线圈L1和接收线圈L2分别放在被测材料M上下方。 L1中加上交流电u，若M不存在，L1的磁场将直接贯穿L2产生交变电动 势e=f(I,w,N1, N2,x0,ρ ,μ )。若在L1、L2中间放置M，L1产生的磁力 线必然切割M，并在M中产生涡流，使到达L2的磁力线减少，e下降。 M的厚度h越大，涡流越大，引起的损耗越大，e就越小。由e的大小 可反映材料厚度h的变化。
L? ? ?
?
线性化处理
?L ? ?? L?
灵敏度
Sn
?
?L/ L
??
?
1
?
因此，只能测量微小位移，且非线性严重。
1、比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； 2、差动式非线性项比单线圈多乘了 (Δδ/δ)因子； 不存在偶次项，因 Δδ/δ<<1，线性度得到改善。
3、差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干 扰、 电源波动 的影响。
3. 传感器结构
To 4.3.3
特点： ?体积小、灵敏度高、测量线性范围大、频率响应宽 涡流的趋肤效应： ?涡流渗透的深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。
分类： ?高频反射式涡流传感器 ?低频透射式涡流传感器
7.3.1 高频反射式涡流传感器
1.基本原理
传感器线圈阻抗
Z ? f (? , ?,r,? ,? ) ? ? 金属板磁导率 ? ? 金属板电阻率
4.螺管型电感式传感器
当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，从而线圈电感发生变化。
?变磁阻式传感器特点
1）变气隙厚度?的电感式传感器(L-?)
特点：灵敏度高；缺点：非线性大；常用于小位移测量。
2）变气隙面积S的电感式传感器(L-S)
特点：线性特性，灵敏度低，常用于角位移测量。
3）变铁芯磁导率? 的电感式传感器
7.3 涡流式电感式传感器
7.4 小结
1. 工作原理 2.等效电路 3.输出特性分析 4.信号调节电路 5.影响精度因素 6.应用
电感传感器照片
基础：电磁感应； 利用线圈自感或互感的改变来实现非电量电测。
应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等的测量。
分类： 电感式传感器
可变磁阻型 自感型 涡流式 互感型：差动变压器
? 对于自感式电感传感器： 重点： 1）变间隙电感传感器的工作原理； 2）影响精度的因素：内部、外部 。
? 对于互感式：重点是螺管式 ? 对于涡流式：重点是高频反射式、低频透射式涡流
传感器的工作原理与应用
零点残余电压：主要原因是由于两线圈的电气参数ຫໍສະໝຸດ Baidu完全对称。
7.1.4 影响变磁阻式传感器精度因素
（1）内部因素 1）L-δ非线性误差—属原理性误差;
采用差动式结构；测微小位移。
2）零点残余电压—零位误差。
在测量电桥中接入可调电位器。
（2）外部因素 1）温度变化的影响
原因：温度变化引起零件尺寸、线圈电阻、铁芯磁导率变化。 设计制造时，合理选择线膨胀系数的零件材料。
r ? 与线圈与被测体尺寸有 关的因子
? ? 激励电流频率 ? ? 线圈与金属板间距
4．测量电路
① 定频调幅电路
并联谐振回路谐振频率
f? 1
2? LC
当f= f0（电源）时，输出电压emax；
当被测量改变，回路失调，
1
f? 2?
(L ? ? L)C ? f0
此时 e≠emax，即e随δ 改变。
② 调频电路
其主要结构都是由三部分组成： 线圈绕组，可移衔铁，导磁外壳。
S1 P
S 2
(a) 三段式
(b) 二段式
2) 基本特性
2. 差动变压器的信号调节电路
1)可辨别位移方向 2)消除零位电压
R 放大器 相敏检波
X
振荡器
3. 差动变压器的应用
? 板的厚度测量
板的两侧对称放 置两个差动变压器传 感器，板的厚度对应 变压器铁芯位移量， 并由变压器传感器输 出电压信号实现厚度 测量。
? 张力测量
7.3 涡流式电感式传感器
工作原理：基于电涡流效应原理。
涡流效应： 金属板置于变化着的磁场中时，或者在
固定磁场中运动时，金属体内就要产生感应电流，
这种电流的流线在金属体内是自身闭合的（自成回
路），所以叫做(涡1)流交。变电场 (2)金属处于交变电场之中
涡流的大小： 与金属体的电阻率、导磁率、 厚度以及线圈与金属的距离，线圈的激磁电流角 频率等参数有关。
1.变气隙厚度的电感式传感器
初始电感
W2?S
L?
2?
当衔铁位移使气隙减小 ? ?时，? L ?
W 2?S
W 2? S
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2(? ? ? ? ) 2?
1? ?? /?
当? ? / ? ?? 1，按级数展开
? L ? ? ? [1 ? ? ? ? ( ? ? )2 ? ( ? ? )3 ? ? ]
特点： ?结构简单、工作可靠、寿命长 ?灵敏度高、分辨力高 ?精度高、线性好 ?性能稳定、重复性好 ?缺点：频率响应低，不适宜快速动态测量
7.1 变磁阻式传感器
7.1.1 工作原理
变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三个部分组成 如下图所示：
L ? W 2? 0s 2?
式中：W－线圈的匝数 μ0－空气隙的磁导率 s－空气隙的截面积 δ－空气隙的厚度
4、 电磁吸力对测力变化的影响也因能相互抵消 而减小。
2.变气隙面积的电感式传感器
L ? W2?S 2?
灵敏度
? L/ L W2? Sn ? ? S ? 2?
3.变铁芯磁导率的电感式传感器
原理：利用某些铁磁材料的压磁效应，又称压磁式传感器。 压磁效应：当铁磁材料受力时，在物体内部产生应力，从而引 起磁导率发生变化。 应用：主要用于测力。
2）电源波动（电压和频率）
原因：电源电压波动直接影响传感器的输出电压，还引起铁芯 磁感应强度和磁导率变化，铁芯磁阻变化，线圈阻抗变化。
铁芯磁感应强度的工作点要选在磁化曲线的线性段。 电源频率的波动一般较小，使线圈感抗变化，交流电桥能补偿。
7.1.5 变磁阻式传感器的应用
?用于接触式测量； ?用于静态、动态测量； ?用于位移、压力、流量、液位等测量。
To 4.3.3
7.3.3 涡流式传感器的应用
不同的变换量制成不同的传感器。
Z ? f (? , ? , x,? )
以位移作变换量 测位移、厚度、振幅、振摆、转速；
接近开关、记数等。
测厚
测转速 测金属表面氧化膜厚度
油管检测
火车轮检测
电涡流传感器的应用
零件计数 测轴的振动形状
7.4 小结
? 三种传感器：自感式、互感式、涡流式的工作原理、 特性与应用
特点：利用压磁效应，常用于各种力的测量。
4）螺管型电感式传感器 特点：量程大、结构简单、便于制作，多用于大位移测量。
7.1.3 变磁阻式传感器信号调节电路
当传感器铁芯处于中间位置，电桥输出电压 为零。
当传感器铁芯向上或向下移动，电桥输出交 流电压相同，但极性相反。
因此，电路中必须有反映相位鉴别的相敏整 流器。
7.2 差动变压器式电感式传感器
工作原理：将被测量变化转化为传感器互感的变化。 形式：变气隙式、变面积式、螺管式
7.2.1 差动变压器式电感式传感器
1. 螺管形差动变压器 2. 差动变压器的信号调节电路 3. 差动变压器的应用
1. 螺管式差动变压器
1）结构与工作原理
螺管形差动变压器按绕组排列方 式有：一段式、二段式、三段式、四 段式及五段式。
(a) 工作原理
（b）电感与气隙的关系
线圈自感L ? W2 Rm
磁路总磁阻 Rm
?
l1
? 1 S1
?
l2
? 2 S2
?
2? ?S
由于铁心与衔铁磁阻 ??空气气隙磁阻
则L ? W2? S 2?
Rm
?
2? ?S
相应地，自感式电感传感器分为变气隙厚度?电感传感器、变气隙面积S 的电感传感器、 变铁芯磁导率? 的电感式传感器
第7章 电感式传感器
? 电感式传感器是一种机电转换装置， ? 特别是在自动控制设备中广泛应用。
各种电感式传感器
电 感 粗 糙 度 仪
接近式传感器
非接触式位移传感器 测厚传感器
电感式传感器应用 电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装筛选
7.1 变磁阻式电感式传感器
7.2 差动变压器式电感式传感器
将传感器接入一个LC振荡器中，当δ 变化，线圈阻抗L发生变化，使 振荡器的频率改变，通过鉴频器将频率变化变换成电压输出。
涡流传感器信号调理电路
7.3.2. 低频透射式涡流传感器
厚度测量 低频透射测厚仪，可无接触地测量金属板厚度或镀层 厚度。如图，发射线圈L1和接收线圈L2分别放在被测材料M上下方。 L1中加上交流电u，若M不存在，L1的磁场将直接贯穿L2产生交变电动 势e=f(I,w,N1, N2,x0,ρ ,μ )。若在L1、L2中间放置M，L1产生的磁力 线必然切割M，并在M中产生涡流，使到达L2的磁力线减少，e下降。 M的厚度h越大，涡流越大，引起的损耗越大，e就越小。由e的大小 可反映材料厚度h的变化。
L? ? ?
?
线性化处理
?L ? ?? L?
灵敏度
Sn
?
?L/ L
??
?
1
?
因此，只能测量微小位移，且非线性严重。
1、比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； 2、差动式非线性项比单线圈多乘了 (Δδ/δ)因子； 不存在偶次项，因 Δδ/δ<<1，线性度得到改善。
3、差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干 扰、 电源波动 的影响。
3. 传感器结构
To 4.3.3
特点： ?体积小、灵敏度高、测量线性范围大、频率响应宽 涡流的趋肤效应： ?涡流渗透的深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。
分类： ?高频反射式涡流传感器 ?低频透射式涡流传感器
7.3.1 高频反射式涡流传感器
1.基本原理
传感器线圈阻抗
Z ? f (? , ?,r,? ,? ) ? ? 金属板磁导率 ? ? 金属板电阻率
4.螺管型电感式传感器
当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，从而线圈电感发生变化。
?变磁阻式传感器特点
1）变气隙厚度?的电感式传感器(L-?)
特点：灵敏度高；缺点：非线性大；常用于小位移测量。
2）变气隙面积S的电感式传感器(L-S)
特点：线性特性，灵敏度低，常用于角位移测量。
3）变铁芯磁导率? 的电感式传感器
7.3 涡流式电感式传感器
7.4 小结
1. 工作原理 2.等效电路 3.输出特性分析 4.信号调节电路 5.影响精度因素 6.应用
电感传感器照片
基础：电磁感应； 利用线圈自感或互感的改变来实现非电量电测。
应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等的测量。
分类： 电感式传感器
可变磁阻型 自感型 涡流式 互感型：差动变压器
? 对于自感式电感传感器： 重点： 1）变间隙电感传感器的工作原理； 2）影响精度的因素：内部、外部 。
? 对于互感式：重点是螺管式 ? 对于涡流式：重点是高频反射式、低频透射式涡流
传感器的工作原理与应用
零点残余电压：主要原因是由于两线圈的电气参数ຫໍສະໝຸດ Baidu完全对称。
7.1.4 影响变磁阻式传感器精度因素
（1）内部因素 1）L-δ非线性误差—属原理性误差;
采用差动式结构；测微小位移。
2）零点残余电压—零位误差。
在测量电桥中接入可调电位器。
（2）外部因素 1）温度变化的影响
原因：温度变化引起零件尺寸、线圈电阻、铁芯磁导率变化。 设计制造时，合理选择线膨胀系数的零件材料。
r ? 与线圈与被测体尺寸有 关的因子
? ? 激励电流频率 ? ? 线圈与金属板间距
4．测量电路
① 定频调幅电路
并联谐振回路谐振频率
f? 1
2? LC
当f= f0（电源）时，输出电压emax；
当被测量改变，回路失调，
1
f? 2?
(L ? ? L)C ? f0
此时 e≠emax，即e随δ 改变。
② 调频电路
其主要结构都是由三部分组成： 线圈绕组，可移衔铁，导磁外壳。
S1 P
S 2
(a) 三段式
(b) 二段式
2) 基本特性
2. 差动变压器的信号调节电路
1)可辨别位移方向 2)消除零位电压
R 放大器 相敏检波
X
振荡器
3. 差动变压器的应用
? 板的厚度测量
板的两侧对称放 置两个差动变压器传 感器，板的厚度对应 变压器铁芯位移量， 并由变压器传感器输 出电压信号实现厚度 测量。
? 张力测量
7.3 涡流式电感式传感器
工作原理：基于电涡流效应原理。
涡流效应： 金属板置于变化着的磁场中时，或者在
固定磁场中运动时，金属体内就要产生感应电流，
这种电流的流线在金属体内是自身闭合的（自成回
路），所以叫做(涡1)流交。变电场 (2)金属处于交变电场之中
涡流的大小： 与金属体的电阻率、导磁率、 厚度以及线圈与金属的距离，线圈的激磁电流角 频率等参数有关。
1.变气隙厚度的电感式传感器
初始电感
W2?S
L?
2?
当衔铁位移使气隙减小 ? ?时，? L ?
W 2?S
W 2? S
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2(? ? ? ? ) 2?
1? ?? /?
当? ? / ? ?? 1，按级数展开
? L ? ? ? [1 ? ? ? ? ( ? ? )2 ? ( ? ? )3 ? ? ]
特点： ?结构简单、工作可靠、寿命长 ?灵敏度高、分辨力高 ?精度高、线性好 ?性能稳定、重复性好 ?缺点：频率响应低，不适宜快速动态测量
7.1 变磁阻式传感器
7.1.1 工作原理
变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三个部分组成 如下图所示：
L ? W 2? 0s 2?
式中：W－线圈的匝数 μ0－空气隙的磁导率 s－空气隙的截面积 δ－空气隙的厚度
4、 电磁吸力对测力变化的影响也因能相互抵消 而减小。
2.变气隙面积的电感式传感器
L ? W2?S 2?
灵敏度
? L/ L W2? Sn ? ? S ? 2?
3.变铁芯磁导率的电感式传感器
原理：利用某些铁磁材料的压磁效应，又称压磁式传感器。 压磁效应：当铁磁材料受力时，在物体内部产生应力，从而引 起磁导率发生变化。 应用：主要用于测力。
2）电源波动（电压和频率）
原因：电源电压波动直接影响传感器的输出电压，还引起铁芯 磁感应强度和磁导率变化，铁芯磁阻变化，线圈阻抗变化。
铁芯磁感应强度的工作点要选在磁化曲线的线性段。 电源频率的波动一般较小，使线圈感抗变化，交流电桥能补偿。
7.1.5 变磁阻式传感器的应用
?用于接触式测量； ?用于静态、动态测量； ?用于位移、压力、流量、液位等测量。
To 4.3.3
7.3.3 涡流式传感器的应用
不同的变换量制成不同的传感器。
Z ? f (? , ? , x,? )
以位移作变换量 测位移、厚度、振幅、振摆、转速；
接近开关、记数等。
测厚
测转速 测金属表面氧化膜厚度
油管检测
火车轮检测
电涡流传感器的应用
零件计数 测轴的振动形状
7.4 小结
? 三种传感器：自感式、互感式、涡流式的工作原理、 特性与应用
特点：利用压磁效应，常用于各种力的测量。
4）螺管型电感式传感器 特点：量程大、结构简单、便于制作，多用于大位移测量。
7.1.3 变磁阻式传感器信号调节电路
当传感器铁芯处于中间位置，电桥输出电压 为零。
当传感器铁芯向上或向下移动，电桥输出交 流电压相同，但极性相反。
因此，电路中必须有反映相位鉴别的相敏整 流器。