第4章电感式传感器解析
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第4章电感式传感器解析
差动形式
为了增加灵敏度，改善线性， 往往做成差动式的。
差动优点：（1）大大的改善了线性，减小线性误差； （2）使灵敏度提高一倍。
第4章电感式传感器解析
自感式传感器的分类比较
第4章电感式传感器解析
4.1.2 互感式传感器
互感式传感器本身是其互感系数可变的 变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次 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。一般，这种传感器的 二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故 常称之为差动变压器式传感器。
第4章电感式传感器解析
◆调幅式转换电路形式：
1、交流电桥：（电阻式传感器） 输出电压：
电桥平衡条件： Z1 Z4=Z2Z3 1+4= 2+3
第4章电感式传感器解析
2、变压器电桥：（右图所示）
输出空载电压：
u0Z1 uZ2Z1u 2u 2Z Z1 1 Z Z2 2
设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯 偏离中间位置时， Z1=Z+Z， Z2=Z-Z ，有：
电路
互感系数 M 的变化
电压 电流
第4章电感式传感器解析
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、抗干扰能力强、对工作环境要求不 高、寿命长 ➢能实现信息的远距离传输、记录、显示 和控制等。
了线圈电感量的变化。
第4章电感式传感器解析
线圈的电感可用下式表示： L N 2 Rm
式中，N为线圈匝数； Rm为磁路总磁阻。
对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为
Rml11Al22A20A
式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率； µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。
第4章电感式传感器解析
电感式传感器分类
自感型 互感型 涡流式传感器 — 压磁式
高频反射式 — 自感型 低频透射式 — 互感型
第4章电感式传感器解析
4.1工作原理
4.1.1 自感式传感器 1.变间隙型 结构示意图如右图所示
工作时衔铁与被测物体
连接，被测物体的位移将引
原理分析
起空气隙的长度发生变化。 由于气隙磁阻的变化，导致
3. 螺管型：示值范围大，自由行程可任意安排， 装配也较方便，因而获得了较广泛的应用。可 测量几纳米~1米的位移，但灵敏度稍低。
第4章电感式传感器解析
各种差动变压器
第4章电感式传感器解析
4.2 转换电路和传感器灵敏度
被测量 x
L(M) 传感器
转换电路及 电量 信号调节
转换电路
调幅电路 调频电路 调相电路
因此有：
L N2 Rm
l1
N2
l2 2
1A 2A 0A
一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为
L N 20 A 2
第4章电感式传感器解析
电感传感器的三种型式
气隙变化型—变气隙的间隙
(a)
面积变化型—变气隙的截面积A (b)
螺管型—变衔铁与线圈重合长度 (c)
E2 2kME1
第M4章b 电感M式传感M器解析
2KlE1
E2与E2b同相
互感式传感器的分类
1. 气隙型：灵敏度高但测量范围小，一般用于几 微米~几百微米的位移。由于示值范围小、非线 性严重，已较少使用。
2. 截面型：测量直线位移极少，常用来测角位移。 一般可分辨零点几秒以下的微小角位移，线性 范围达100。
这种传感器的工作原理如右图所示。
第4章电感式传感器解析
• 互感现象：
• 当一次侧线圈通入激励电流I1时，它将产生磁 通11，一部分磁通12穿过次级线圈，产生 互感电势e
• 磁链
12 N212
• 互感系数 M d12
dI
e d12 M dI
dt
dt
若
I1
IM e
jt
e 第4章电感式传感器解析
第4章电感式传感器解析
3.螺管型
如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁， 也是一个可变自感。使衔铁左右位移，自感 量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。
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。
第四章 电感式传感器
第4章电感式传感器解析
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。
电感传感器的主要特征是具有电感绕组。
位移
振动
线圈
被测物理量 压力 的变化
流量
比重
自感系数 L
jI1M
在初级线圈中 I1 IM e jt 次级线圈中的感应电势
E
R1 jL1
E2a M a
dI1 dt
jM a I1
E2b jMbI1
E2
E 2 a
E 2b
j(M a
Mb )I1
j(M a
Mb)
R1
E1
jL1
感应电势的有效值
E2 第R(41M章2 电a 感(式ML传1感b))2器解 E析1 k (M a Mb )E1
(a)
(b) 第4章电感式传感器解析
(c)
2.变面积型
气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从 而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意 图见下图。
通过对式
L
N 20 A 2 的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与
磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性Fra Baidu bibliotek线参见图4.1.3。
➢ 初始位置，衔铁处于中间位置
l2a l2b l0 Ma Mb M E2 0
➢当衔铁上升L
l2a l0 l
l2b l0 l
M a M M M b M M
➢当衔铁下降L
E2 2kME1 2KlE1
E2与E2a同相
l2a l0 l
M a M M
l2b l0 l
u0(u/2)( Z/Z)
第4章电感式传感器解析
当磁芯反向偏离时， Z1=Z-Z， Z2=Z+Z ，有：
u0 (u/2)( Z/Z)
自感线圈的等效电路如右图所示
差动形式
为了增加灵敏度，改善线性， 往往做成差动式的。
差动优点：（1）大大的改善了线性，减小线性误差； （2）使灵敏度提高一倍。
第4章电感式传感器解析
自感式传感器的分类比较
第4章电感式传感器解析
4.1.2 互感式传感器
互感式传感器本身是其互感系数可变的 变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次 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。一般，这种传感器的 二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故 常称之为差动变压器式传感器。
第4章电感式传感器解析
◆调幅式转换电路形式：
1、交流电桥：（电阻式传感器） 输出电压：
电桥平衡条件： Z1 Z4=Z2Z3 1+4= 2+3
第4章电感式传感器解析
2、变压器电桥：（右图所示）
输出空载电压：
u0Z1 uZ2Z1u 2u 2Z Z1 1 Z Z2 2
设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯 偏离中间位置时， Z1=Z+Z， Z2=Z-Z ，有：
电路
互感系数 M 的变化
电压 电流
第4章电感式传感器解析
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、抗干扰能力强、对工作环境要求不 高、寿命长 ➢能实现信息的远距离传输、记录、显示 和控制等。
了线圈电感量的变化。
第4章电感式传感器解析
线圈的电感可用下式表示： L N 2 Rm
式中，N为线圈匝数； Rm为磁路总磁阻。
对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为
Rml11Al22A20A
式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率； µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。
第4章电感式传感器解析
电感式传感器分类
自感型 互感型 涡流式传感器 — 压磁式
高频反射式 — 自感型 低频透射式 — 互感型
第4章电感式传感器解析
4.1工作原理
4.1.1 自感式传感器 1.变间隙型 结构示意图如右图所示
工作时衔铁与被测物体
连接，被测物体的位移将引
原理分析
起空气隙的长度发生变化。 由于气隙磁阻的变化，导致
3. 螺管型：示值范围大，自由行程可任意安排， 装配也较方便，因而获得了较广泛的应用。可 测量几纳米~1米的位移，但灵敏度稍低。
第4章电感式传感器解析
各种差动变压器
第4章电感式传感器解析
4.2 转换电路和传感器灵敏度
被测量 x
L(M) 传感器
转换电路及 电量 信号调节
转换电路
调幅电路 调频电路 调相电路
因此有：
L N2 Rm
l1
N2
l2 2
1A 2A 0A
一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为
L N 20 A 2
第4章电感式传感器解析
电感传感器的三种型式
气隙变化型—变气隙的间隙
(a)
面积变化型—变气隙的截面积A (b)
螺管型—变衔铁与线圈重合长度 (c)
E2 2kME1
第M4章b 电感M式传感M器解析
2KlE1
E2与E2b同相
互感式传感器的分类
1. 气隙型：灵敏度高但测量范围小，一般用于几 微米~几百微米的位移。由于示值范围小、非线 性严重，已较少使用。
2. 截面型：测量直线位移极少，常用来测角位移。 一般可分辨零点几秒以下的微小角位移，线性 范围达100。
这种传感器的工作原理如右图所示。
第4章电感式传感器解析
• 互感现象：
• 当一次侧线圈通入激励电流I1时，它将产生磁 通11，一部分磁通12穿过次级线圈，产生 互感电势e
• 磁链
12 N212
• 互感系数 M d12
dI
e d12 M dI
dt
dt
若
I1
IM e
jt
e 第4章电感式传感器解析
第4章电感式传感器解析
3.螺管型
如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁， 也是一个可变自感。使衔铁左右位移，自感 量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。
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。
第四章 电感式传感器
第4章电感式传感器解析
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。
电感传感器的主要特征是具有电感绕组。
位移
振动
线圈
被测物理量 压力 的变化
流量
比重
自感系数 L
jI1M
在初级线圈中 I1 IM e jt 次级线圈中的感应电势
E
R1 jL1
E2a M a
dI1 dt
jM a I1
E2b jMbI1
E2
E 2 a
E 2b
j(M a
Mb )I1
j(M a
Mb)
R1
E1
jL1
感应电势的有效值
E2 第R(41M章2 电a 感(式ML传1感b))2器解 E析1 k (M a Mb )E1
(a)
(b) 第4章电感式传感器解析
(c)
2.变面积型
气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从 而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意 图见下图。
通过对式
L
N 20 A 2 的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与
磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性Fra Baidu bibliotek线参见图4.1.3。
➢ 初始位置，衔铁处于中间位置
l2a l2b l0 Ma Mb M E2 0
➢当衔铁上升L
l2a l0 l
l2b l0 l
M a M M M b M M
➢当衔铁下降L
E2 2kME1 2KlE1
E2与E2a同相
l2a l0 l
M a M M
l2b l0 l
u0(u/2)( Z/Z)
第4章电感式传感器解析
当磁芯反向偏离时， Z1=Z-Z， Z2=Z+Z ，有：
u0 (u/2)( Z/Z)
自感线圈的等效电路如右图所示