第4章电感式传感器解析
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电感式传感器PPT课件
2
LC
2LC
Q2
(1
2LC)2
2LC Q
2
(4-17)
第4章 电感式传感器
当Q>>ω2LC且Ω2lc<<1
Z
R
(1 2LC)2
;
令
L'
L
(1 2LC)2
则
Z R' jL'
从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及 有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它 会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量 中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的 灵敏度重新进行校准。
为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙 式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全 一致。
第4章 电感式传感器 图4-3 差动变隙式电感传感器
第4章 电感式传感器 4.1.3 测量电路
电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥 以及谐振式等。
1.
从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电 感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线 绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有 功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。 于是可得到电感式传感器的等效电路如图4-4所示。
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，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，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。
第4章 电感式传感器 4.1.5
第4章 电感式传感器线位移及尺寸测量
1
2
P
r
x
B 为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为： IN H 2 2 l N NBS 0 N r 则空心螺管线圈的电感为： L0 I I l
电子工业出版社
x
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
电子工业出版社
L
ΔL1 L0 ΔL2 δ0 δ
2. 螺线管型电感传感器
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。
螺管线圈 l r 铁芯 x
电子工业出版社
为了提高灵敏度与线性度,常 采用差动螺管式自感传感器。 图(b)中H=f(x)曲线表明：为 了得到较好的线性,铁芯长度 取0.6l时,则铁芯工作在H曲线 的拐弯处,此时H变化小。这种 差动螺管式自感传感器的测量 范围为(5～50)mm,非线性误 差在0.5％左右。
2lc
Δlc
r
x 线圈Ⅱ (a)
当
2 4 L 1 2 ... L0 0 0 0 L 2 忽略高次项，可得: L0 0
0
，上式展开成泰勒级数： 1
差动变隙式自感传感器的灵敏度为
3
L L0 2 K 0
1 线圈Ⅰ自感特性曲线； 2 线圈Ⅱ自感特性曲线； 3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压－位移特性曲线
电子工业出版社
L/mH 100 75 LD 50 25
2
P
r
x
B 为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为： IN H 2 2 l N NBS 0 N r 则空心螺管线圈的电感为： L0 I I l
电子工业出版社
x
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
电子工业出版社
L
ΔL1 L0 ΔL2 δ0 δ
2. 螺线管型电感传感器
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。
螺管线圈 l r 铁芯 x
电子工业出版社
为了提高灵敏度与线性度,常 采用差动螺管式自感传感器。 图(b)中H=f(x)曲线表明：为 了得到较好的线性,铁芯长度 取0.6l时,则铁芯工作在H曲线 的拐弯处,此时H变化小。这种 差动螺管式自感传感器的测量 范围为(5～50)mm,非线性误 差在0.5％左右。
2lc
Δlc
r
x 线圈Ⅱ (a)
当
2 4 L 1 2 ... L0 0 0 0 L 2 忽略高次项，可得: L0 0
0
，上式展开成泰勒级数： 1
差动变隙式自感传感器的灵敏度为
3
L L0 2 K 0
1 线圈Ⅰ自感特性曲线； 2 线圈Ⅱ自感特性曲线； 3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压－位移特性曲线
电子工业出版社
L/mH 100 75 LD 50 25
第四章电感式传感器第一节自感式传感器
2、测量电路
（2）变压器电桥
电桥的两个平衡臂为变压器的两个副边。电 桥的输出与前面交流电桥类似。
１、工作原理 气隙型电感传感器由线圈、铁芯和衔铁
组成，工作时，气隙厚度δ随衔铁运动而变
化，引起磁阻变化（故又称为磁阻式传感 器），从而导致电感变化而在线圈中产生感 应电动势。
线圈电感为：
式中，N 为线圈匝数； 为R m磁、工作原理
假设气隙磁场是均匀的，在忽略磁路铁损后， 磁路的总磁阻为:
式中， 为铁芯磁路总长， 为衔铁磁路总长，
δ为气隙厚度，
分别为铁芯、衔铁、真空磁导率， 分别为铁芯、衔铁、气隙的截面积。
一、变磁阻式电感传感器
１、工作原理
将总磁阻代入电感公式，得
由于
,则上式可简化为：
由公式可知，电感 L 是气隙截面积 A 和长 度δ 的函数。由此可制成两种类型的传感器：
变气隙型和变截面型。
第四章 电感式传感器
§4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器
第四章 电感式传感器
概述
【能量变换】属能量控制型传感器
第四章 电感式传感器
概述
【原理】是利用线圈自感和互感来实现非电量 的电测。
【用途】检测位移、振动、压力、应变、流量 和比重等
【类型】自感式、互感式和电涡流式。 【特点】结构简单、分辩率高、输出信号强、
１、单线圈型工作原理
（1）螺管内未插入铁芯时，螺管线圈的电感为
式中 r —— 螺管半径； l —— 螺管圈长度。
二、螺管型电感传感器
１、单线圈型工作原理
（2）当铁芯插入长度 lx 等于线圈长度 l 时，
线圈电感为:
二、螺管型电感传感器
（2）变压器电桥
电桥的两个平衡臂为变压器的两个副边。电 桥的输出与前面交流电桥类似。
１、工作原理 气隙型电感传感器由线圈、铁芯和衔铁
组成，工作时，气隙厚度δ随衔铁运动而变
化，引起磁阻变化（故又称为磁阻式传感 器），从而导致电感变化而在线圈中产生感 应电动势。
线圈电感为：
式中，N 为线圈匝数； 为R m磁、工作原理
假设气隙磁场是均匀的，在忽略磁路铁损后， 磁路的总磁阻为:
式中， 为铁芯磁路总长， 为衔铁磁路总长，
δ为气隙厚度，
分别为铁芯、衔铁、真空磁导率， 分别为铁芯、衔铁、气隙的截面积。
一、变磁阻式电感传感器
１、工作原理
将总磁阻代入电感公式，得
由于
,则上式可简化为：
由公式可知，电感 L 是气隙截面积 A 和长 度δ 的函数。由此可制成两种类型的传感器：
变气隙型和变截面型。
第四章 电感式传感器
§4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器
第四章 电感式传感器
概述
【能量变换】属能量控制型传感器
第四章 电感式传感器
概述
【原理】是利用线圈自感和互感来实现非电量 的电测。
【用途】检测位移、振动、压力、应变、流量 和比重等
【类型】自感式、互感式和电涡流式。 【特点】结构简单、分辩率高、输出信号强、
１、单线圈型工作原理
（1）螺管内未插入铁芯时，螺管线圈的电感为
式中 r —— 螺管半径； l —— 螺管圈长度。
二、螺管型电感传感器
１、单线圈型工作原理
（2）当铁芯插入长度 lx 等于线圈长度 l 时，
线圈电感为:
二、螺管型电感传感器
第四章电感式传感器
式中，r 、rc 为螺管、铁芯的半径；l、l为c 螺管、铁芯 的长度； lc 、rc 位移量。
所以，传感器灵敏度为：
K
4 2 N 2
l2
r
1 rc2
107
采用差动形式，灵敏度可提高一倍。 提高灵敏度的途径：
①使线圈与铁芯尺寸比值和趋于1； ②铁芯的材料选用导磁率大的材料。
三种自感式传感器的比较： ◆ 变间距式: 灵敏度最高，且随间距增大而减小；
4.2.4 误差因素分析
（1）激励电源的影响 幅值和频率都会直接影响输出，必须适当选择 合适的值。
（2）温度的影响： 温度变化，引起线圈磁场发生变化，从而产生 温漂（品质因数Q低时，影响更为严重。
解决方法：①采用恒流源供电； ②提高线圈的品质因数； ③采用差动电桥。
（3）零点残余电压 差动变压器在初始状态下，衔铁处于中间位置， 存在零点残余电压，
常用测量电路为： ◆ 差动整流电路 ◆ 相敏检波电路
1. 差动整流电路 差动整流电路分为全波和半波电路，如图所示：
以图（c）为例，波形变化为：
2．相敏检测电路
4.2.6 应用
(1)差动变压器式加速度传感器
(2)差动变压器式微压力变送器
微压传感器
退出
电感测微仪------差动式自感传感器测量微位移
4.1 自感式传感器
自感传感器的常见形式有气隙型和螺管型。
一、气隙型电感传感器 1. 工作原理：
线圈的电感为：
N2 L
Rm
Rm
l1
1S1
l2
2S2
l
0S
一般铁心的磁阻远较气隙磁阻小，有
Rm
l
0S
电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数N 平方成正比；与空气隙有效截面积S成正比；与 空气隙长度所反比。
电感式传感器30295
不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。
电感式传感器
第4章 电感式传感器
§4.1 自感式传感器
§4.2 差动式变压器
§4.3 电涡流式传感器
应用实例
4.1 自感式传感器
第4章 电感式传感器
➢ 气隙型电感传感器 ➢ 螺管型电感传感器 ➢ 电感线圈的等效电路 ➢ 测量电路
4.1 自感式传感器
实验：
4.1 自感式传感器
单线圈气隙型电感传感器：
灵敏度：
KL
L l
1 l
1 l
r
线性度： l 1 l 1 l l r
差动式气隙型电感传感器：
2
灵敏度：K L
L 2
l
1 l
1 l
r
线性度：
l l
1 l
1 l
r
2.差动式自感传感器非线性失真小.
当Δlδ/lδ=10％时 (略去l／lδ·μr), 单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。
4.1 自感式传感器
单线圈气隙型电感传感器：
灵敏度：
KL
L l
1 l
1 l
r
线性度： l 1
l 1 l l r
差动式气隙型电感传感器：
2
灵敏度：K L
L 2
l
1 l
1 l
r
线性度：
l l
1 l
1 l
r
1. 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传 感器提高一倍.
差动式气隙型电感传感器
l
r
1 l
l
L L1 l r l
L
l r l l
L1
l
1
l
1
L
传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器：
利用线圈自感量的变化来实现测量的。
铁芯
传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部
线圈
分组成。
工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如
硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分
与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生
3
差动变
2 截面式
4
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
§4.1 变磁阻式电感传感器
六、自感式传感器的等效电路
L U L2
~
I
C
U
Z1
2
A
U 2
Z2
U 0
D
B
U o
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
Z Z
U 2
L U L2
当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。
§4.1 变磁阻式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
2、变压器式交流电桥
§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
三种基本类型： 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。
44
3
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。
第4章 电感式传感器
(c) 四节式
3
(d) 五节式
图4.12 差动变压器线圈各种排列形式 1 一次线圈；2 二次线圈；3 衔铁
三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范 围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。
2.2 工作原理
以三节式差动变压器为例，将两个匝数相等的次级绕组的 同名端反向串联，当初级绕组W1加以激磁电压时，根据变压器 的作用原理在两个次级绕组W2a和W2b中就会产生感应电势，如 果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平 衡位置时，输出电压为零。
U1 U 2 j ( M 1 M 2 ) R1 jL1 其有效值为： (M1 M 2 )U1 U2 R12 (L1 ) 2
.
E 21 jM 1 I.1 . E 22 jM 2 I1
.
.
R1
M1
.
． U1 ～ M2
L21 L22 R22
U2
． ～ E22
(c)、(d) 螺线管式差动变压器
(e)、(f) 变面积式差动变压器
二次绕组
二次绕组 衔铁
一次绕组
图4.11 螺线管式差动变压器的结构示意图
螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节 式、四节式和五节式等形式。 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2
2
(a) 二节式
3
(b) 三节式
2
II. 变面积型灵敏度较小，但线性较好，量程较大； III.螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单。
1.4 差动式自感传感器
由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电 池吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。 外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会 使输出产生误差。
3
(d) 五节式
图4.12 差动变压器线圈各种排列形式 1 一次线圈；2 二次线圈；3 衔铁
三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范 围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。
2.2 工作原理
以三节式差动变压器为例，将两个匝数相等的次级绕组的 同名端反向串联，当初级绕组W1加以激磁电压时，根据变压器 的作用原理在两个次级绕组W2a和W2b中就会产生感应电势，如 果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平 衡位置时，输出电压为零。
U1 U 2 j ( M 1 M 2 ) R1 jL1 其有效值为： (M1 M 2 )U1 U2 R12 (L1 ) 2
.
E 21 jM 1 I.1 . E 22 jM 2 I1
.
.
R1
M1
.
． U1 ～ M2
L21 L22 R22
U2
． ～ E22
(c)、(d) 螺线管式差动变压器
(e)、(f) 变面积式差动变压器
二次绕组
二次绕组 衔铁
一次绕组
图4.11 螺线管式差动变压器的结构示意图
螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节 式、四节式和五节式等形式。 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2
2
(a) 二节式
3
(b) 三节式
2
II. 变面积型灵敏度较小，但线性较好，量程较大； III.螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单。
1.4 差动式自感传感器
由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电 池吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。 外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会 使输出产生误差。
传感器原理及工程应用第4章
输出电压为：
Z2 Z4 U0 U AC U AC Z1 Z 2 Z3 Z 4
因
Z3 Z 4 R0
Z2 1 U0 U AC U AC Z1 Z 2 2 Z 2 Z1 U AC Z1 Z 2 2
所以：
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
U
Ui
(a)残余电压的波形
1
UZ t
UZ
2
3
4 5 t
(b)波形分析
1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波5 电磁干扰
零点残余电压产生原因： ①基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完 全一致，因此它的等效电路参数（互感M、 自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两 个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初 级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质 的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使 激励电流与所产生的磁通相位不同。
衔铁气隙增大Δσ时,电感的相对减小量为
L 2 2 3 [1 ( ) ] ( ) ( ) L0 0 0 0 0 0 0
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 对上式作线性处理忽略高次项时
L1 L2 2 K0 L0 0
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 讨论： • 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； • 差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子； • 不存在偶次项，因Δσ/σ<<1，线性度得到改善。 • 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。
Z2 Z4 U0 U AC U AC Z1 Z 2 Z3 Z 4
因
Z3 Z 4 R0
Z2 1 U0 U AC U AC Z1 Z 2 2 Z 2 Z1 U AC Z1 Z 2 2
所以：
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
U
Ui
(a)残余电压的波形
1
UZ t
UZ
2
3
4 5 t
(b)波形分析
1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波5 电磁干扰
零点残余电压产生原因： ①基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完 全一致，因此它的等效电路参数（互感M、 自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两 个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初 级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质 的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使 激励电流与所产生的磁通相位不同。
衔铁气隙增大Δσ时,电感的相对减小量为
L 2 2 3 [1 ( ) ] ( ) ( ) L0 0 0 0 0 0 0
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 对上式作线性处理忽略高次项时
L1 L2 2 K0 L0 0
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 讨论： • 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； • 差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子； • 不存在偶次项，因Δσ/σ<<1，线性度得到改善。 • 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。
传感器课件第四章电感式传感器
未来发展方向与趋势
智能化
随着人工智能和机器学习技术的发展， 电感式传感器将逐渐实现智能化，能够
自主完成数据采集、处理和分析。
微型化
随着微电子技术的不断发展，电感 式传感器的体积和重量逐渐减小，
未来将更加注重微型化设计。
A
B
C
D
网络化
随着物联网技术的不断发展，电感式传 感器将逐渐实现网络化，能够实现远程 控制和数据传输。
CHAPTER
电感式传感器的未来发展与挑战
新材料与新技术的应用
新型磁性材料
随着新材料技术的不断发展，新型磁 性材料如稀土永磁材料、铁氧体等在 电感式传感器中的应用将更加广泛， 以提高传感器的性能和稳定性。
新型导电材料
采用新型导电材料如石墨烯、碳纳米管 等，能够提高线圈的导电性能和耐高温 性能，进一步优化电感式传感器的响应 速度和测量范围。
TITLE
电感式传感器课件第 四章
演讲人姓名
目 录
Ⅰ
点
电
感
击
式
传
添
感
器
加
概 述
正
文
Ⅱ
点
点电
与感
击
优式
势传
添
感
器
加
的 特
正
文
CONTENTS
Ⅲ
点
理电
与感
击
技式
术传
添
实感
现器
加
的 原
正
文
Ⅳ
点
用电
实感
击
例式
传
添
感
器
加
的 应
正
文
Ⅴ
点
来电
4电感式传感器
第四章 电感式传感器
2、相敏检波电路
第四章 电感式传感器
3、集成化的相敏检波电路
输出电压是通过零点的一条直线，+x输出正电压，-x位 移输出负电压，电压的正负表明了位移方向.
第四章 电感式传感器
第三节 电涡流式传感器
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 式测量，另外还具有体积小、灵敏度 高、频率响应很宽等特点，所以应用 极其广泛。
Uo
UAC 2
z1 z2 z1 z2
UAC 2
z z
UAC 2
jL
,(4 13)
R0 jL
同 理 ， 当 衔 铁 下 移 相 同距 离 时 ：
Uo
UAC 2
jL
,(4 14)
R0 jL
第四章 电感式传感器
设 线 圈Q L 1， 忽 略 损耗 电 阻 ， （4 13） 、
R0
（4 14） 可 写 为 ：Uo
第四章 电感式传感器
当衔铁偏离中间位置，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，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。 若向下移动，输出电压为正； 若向上移动，输出电压为负。
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。衔铁带动连动机构就可以测量多 种非电量，如位移、液面高度、速度等。
第四章 电感式传感器
5、电感式传感器应用举例 （1）差动式电感测厚仪
第四章 电感式传感器
2、涡流式传感器应用 （a）位移测量（b）振幅测量（c）转速测量
第四章 电感式传感器
传感器原理及应用第4章 电感式传感器
无源电感式传感器不需要外部电源，通过感应电流或磁场的变化来测量物理 量；有源电感式传感器需要外部电源供电。
6. 磁性材料的选取及应用
磁性材料是电感式传感器中重要的组成部分，其性能直接影响传感器的灵敏 度和精度。根据具体应用需求选择合适的磁性材料。
7. 电感式传感器的灵敏度和扰 动抑制
电感式传感器的灵敏度是指输入物理量的变化与输出信号的变化之间的关系。 为了提高灵敏度，需要采取一定的扰动抑制措施。
位置测量
电感式传感器可用于测量物体的位置，如机器 人的关节角度、物体的位移等。
控制系统
电感式传感器在车辆控制系统和飞行器控制系 统中有广泛应用。
速度测量
电感式传感器可用于测量物体的速度，如车辆 的转速、机器的运动速度等。
机器人技术
电感式传感器可用于机器人的姿态控制和位置 识别等方面。
5. 无源电感式传感器和有源电 感式传感器的区别
电感是导体中产生感生电动势的物理现象，它与导体的形状、材料和电流的变化有关。电感式传感器利用这一 原理来测量物理量。
3. 电感式传感器的构成和工作 原理
电感式传感器由线圈、磁性材料和信号处理电路组成。工作时，物理量的变 化导致线圈中的电感发生变化，从而产生输出信号。
4. 电感式传感器的分类及应用场景
传感器原理及应用第4章 电感式传感器
电感式传感器是一种常见的传感器类型，利用电感原理测量物理量。本章将 介绍电感式传感器的工作原理、分类和应用场景。
1. 电感式传感器简介
电感式传感器是一种采用电感原理测量物理量的传感器。电感式传感器结构简单、精度高、稳定性好，在各种 应用领域都有广泛的应用。
2. 电感原理及定义
6. 磁性材料的选取及应用
磁性材料是电感式传感器中重要的组成部分，其性能直接影响传感器的灵敏 度和精度。根据具体应用需求选择合适的磁性材料。
7. 电感式传感器的灵敏度和扰 动抑制
电感式传感器的灵敏度是指输入物理量的变化与输出信号的变化之间的关系。 为了提高灵敏度，需要采取一定的扰动抑制措施。
位置测量
电感式传感器可用于测量物体的位置，如机器 人的关节角度、物体的位移等。
控制系统
电感式传感器在车辆控制系统和飞行器控制系 统中有广泛应用。
速度测量
电感式传感器可用于测量物体的速度，如车辆 的转速、机器的运动速度等。
机器人技术
电感式传感器可用于机器人的姿态控制和位置 识别等方面。
5. 无源电感式传感器和有源电 感式传感器的区别
电感是导体中产生感生电动势的物理现象，它与导体的形状、材料和电流的变化有关。电感式传感器利用这一 原理来测量物理量。
3. 电感式传感器的构成和工作 原理
电感式传感器由线圈、磁性材料和信号处理电路组成。工作时，物理量的变 化导致线圈中的电感发生变化，从而产生输出信号。
4. 电感式传感器的分类及应用场景
传感器原理及应用第4章 电感式传感器
电感式传感器是一种常见的传感器类型，利用电感原理测量物理量。本章将 介绍电感式传感器的工作原理、分类和应用场景。
1. 电感式传感器简介
电感式传感器是一种采用电感原理测量物理量的传感器。电感式传感器结构简单、精度高、稳定性好，在各种 应用领域都有广泛的应用。
2. 电感原理及定义
电感式传感器(1)
优点：
①结构简单、可靠，测量力小
衔铁为(0.5～200)×10-4N时，磁吸力为(1~10)×10-4N。
②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。
③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性 度较好，且比较稳定。
螺旋管
l r
铁芯
x
单线圈螺管型传感器结构图
螺管型电感传感器
4.1 自感式传感器
螺旋管 铁心
l
x 单线圈螺管型传感器结构图
磁通 密度
r
线圈匝长比
Bl
I 0 n
2
cos 1
cos2
激励 电流
n N l
匝数 管长
cos1
x x2 r2
cos2
lx l x2 r2
r
1
2
x
l
螺线管线圈轴向磁场分布计算图
r
l l
L
1
l
1 l
l l
r
1
l
1 l
r
呈正比
与气隙长度
呈反比，希 望它大。
l
1
l 1 l l r
差动式气隙型电感传感器
衔铁
1 21(l 2 (l
2l ) 2l )
L1 L2
4.1 自感式传感器
E R1 U SC
R2
传感器的灵敏度为：
KL
L l
2 L
1
l 1 l l r
第4章 电感式传感器
概述
电感式传感器示例
各种电感式传感器
第4章 电感式传感器
电 感 粗 糙 度 仪 接近式传感器
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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。
(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。特性曲线参见图4.1.3。
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：
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。
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
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。
➢ 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
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，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
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
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)
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
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
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。
(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。特性曲线参见图4.1.3。
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：
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。
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
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。
➢ 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
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，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
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
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)
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
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