变磁阻式传感器

U U U ≈ = Z X L 2π fL
电感量变化导致输出电流发生变化。 电感量变化导致输出电流发生变化。
如果A保持不变， 如果A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器。 的单值函数，构成变气隙式自感传感器。 测量线位移 若保持δ不变， 若保持δ不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自 随被测量（如位移）变化， 感传感器。 感传感器。 测量角位移
(b) (a)
传传传传传传传
& I1
& H1
传传传传传传传
～
& H2
被被被被被被
& I2
把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流， 把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环 可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R 电感为L 可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R1、电感为L1。这样线圈与 被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一 被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。 个互感M 它随线圈与导体间距x的减小而增大。 个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。 电涡流传感器等效电路 涡流式传感器是利用金属导 涡流式传感器是利用金属导 体在交流磁场中的电涡流效 应。当线圈与金属板的距离 x 减小时，互感M增大，线 减小时，互感M增大， 圈的电感L 减小，电阻R 圈的电感L 减小，电阻R 增 大，但感抗XL 的变化比 R 但感抗X 的变化 大 得 多，流过等效 线圈的电流 i1 增大。 增大。
2. 差分式电感传感器
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， 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，两 个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。 个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。 3
4 4
1 1 2 4 （c） 螺管型 3
3
4
1
2
（a） 变气隙型
（b） 变面积型
差分变压器式传感器是根据差分 差分变压器式传感器是根据差分 变压器的原理制成的，是把被测位 变压器的原理制成的， 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。 的互感量 的变化的装置。当一次线 的变化的装置 圈接入激励电源之后， 圈接入激励电源之后，二次线圈就 将产生感应电动势， 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 感量变化时， 化。由于两个二次线圈采用差动接 法（反串），故称为差动变压器。 反串），故称为差动变压器。 ），故称为差动变压器 输出电压是其两个反串线圈的电 压之差。 压之差。 目前应用最广泛的结构型式是螺 线管式差动变压器。 线管式差动变压器。
所用电源是直流电 源（干电池或蓄电 池等）；可输出多 池等）；可输出多 ）； 种波形的信号，常 种波形的信号， 用于远距离输送 。
2. 电涡流式传感器
实验演示
2. 电涡流式传感器 （1）结构原理 涡流效应： 涡流效应：若一金属板置于 一只线圈的附近，它们之间相 一只线圈的附近， 互的间距为δ，当线圈输入一 交变电流i 交变电流i 时，便产生交变磁 通量Φ 通量Φ，金属板在此交变磁场 中会产生感应电流i 中会产生感应电流i1， i1在金 属体内是闭合的， 属体内是闭合的，所以称之为 电涡流或涡流。 电涡流或涡流。
+
配合相敏检波电路方可判别 位移的大小和方向 。
& U
& U 2
_ Z2
_
& U0
变压器电桥与电阻平衡臂电 桥相比，具有元件少， 桥相比，具有元件少，输出
—
阻抗小，桥路开路时电路呈 阻抗小， 线性的优点，但因为变压器 线性的优点， 副边不接地，易引起来自原 副边不接地， 边的静电感应电压，使高增 边的静电感应电压， 益放大器不能工作。 益放大器不能工作。
（2）测量电路 差分变压器式传感器的输出电压不可直接使用电压表来测量。 差分变压器式传感器的输出电压不可直接使用电压表来测量。 不可仅采用电桥电路和普通的检波电路 。 目前常采用相敏检波电路、差分整流电路、直流差分变压器电 目前常采用相敏检波电路、差分整流电路、 路。
输入电压和差分 变压器二次输出 输入电压和差分 变压器二次输出 ， 要用放大器。 要用放大器。 结构简单，无须比较 结构简单， 电压绕组，不受相位、 电压绕组，不受相位、 零位输出电压、感应、 零位输出电压、感应、 分布电容的影响， 分布电容的影响，可 远距离输送信号 。
被测非电量
电磁 感应
自感系数L 自感系数L 互感系数M 互感系数M
测量 电路
U、 I 、 f
电感式传感器的分类 电感式传感器 自感型 差分式
互感型
涡流式
§3.1 自感式传感器
1. 工作原理及结构 自感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感系数的变化， 自感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感系数的变化， 从而使得线圈电感量发生改变这一物理现象来实现信号测量的。 从而使得线圈电感量发生改变这一物理现象来实现信号测量的。 按自感系数的变化方式可分为三种：变隙式、变面积式和螺线 按自感系数的变化方式可分为三种：变隙式、 管式。 管式。
仿形铣床
主 轴 仿形头
不圆度计
电感式不圆度测量系统外形
测量头
旋转盘
§3.2 互感式传感器
互感式传感器是利用互感现象将来测量被测量。 互感式传感器是利用互感现象将来测量被测量。
有两类：差分变压器式传感器（简称差动变压器） 有两类：差分变压器式传感器（简称差动变压器） 和电涡流式传感器。 和电涡流式传感器。
+
_
& U
_
L
L
简化了接地和屏 蔽的问题。 蔽的问题。
A
δ
变隙差分式压力传感器
P
变隙式压力传感器
P
仿形机床 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
配钥匙
思考题 日常生活中哪项活动需用到这种设备？ 日常生活中哪项活动需用到这种设备？
若保持δ 若保持δ 、A不变，进入线圈衔铁长度la发生变化，则构成螺旋管 不变， 发生变化， 式自感传感器。 式自感传感器。 测量线位移
L
自感传感器电感 输出特性曲线
L= f (la) L= f (A)
L= f (δ)
δ，A，la
思 考 题
三种结构线圈的电感输出特性曲线分别对应哪一条？ 三种结构线圈的电感输出特性曲线分别对应哪一条？ 三种结构线圈的输出电流分别与那一个 参量（ 参量（δ、A、la）成立什么样的关系 线性还是非线性）？ （线性还是非线性）？
由于差分式结构可以提高灵敏度及改善线性， 由于差分式结构可以提高灵敏度及改善线性，故多采用双臂电桥 电路，即有两个工作臂。 电路，即有两个工作臂。
电桥的平衡臂则既可以是纯电阻也可是变压器的二次绕组或紧藕 合电感线圈 。
电阻平衡电桥
+
差动的两个传感器线圈接成电桥的 两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传 两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传 感器线圈的复阻抗），另两个桥臂 感器线圈的复阻抗），另两个桥臂 ）， 用平衡电阻R1、R2代替 用平衡电阻R1、R2代替。 代替。
图3 差分式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
3. 差分式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 差分式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 电感式传感器相比
∆L L 1 K0 = 0 = ∆δ δ 0 ∆L L 2 K0 = 0 = ∆δ δ 0
线性好； 线性好；
灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；
自动检测技术
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第三章 变磁阻（电感）式传感器 变磁阻（电感）
教学要求
1、掌握电感式传感器的工作原理和结构方面的知识 ； 掌握电感式传感器的工作原理 结构方面的知识 工作原理和 2、熟悉电感式传感器的测量电路； 熟悉电感式传感器的测量电路 测量电路； 3、了解电感式传感器的用途。 了解电感式传感器的用途 用途。
& 衔铁下移时： 衔铁下移时： & = U L U0 2L
& & & 衔铁上移时： 衔铁上移时： 0 = − U Z = − U L U 2Z 2L
紧藕合电感比例臂电桥
采用这种测量电
Z1 Z2
路可以消除与电 感臂并联的分布 电容对输出信号 的影响，使电桥 的影响， 平衡稳定，另外 平衡稳定，
+
& U0
（3）应用 高频反射式电涡流传感器（位移测量） 高频反射式电涡流传感器（位移测量） 低频透射式电涡流传感器（厚度测量） 低频透射式电涡流传感器（厚度测量） 生产计件 金属探测
高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面， 高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金 激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面 属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反 属板表面将形成涡电流。与此同时， 作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化 若只改变距离δ 的变化。 作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。若只改变距离δ而 保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化， 保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化， 通过测量电路转换为电压输出。 通过测量电路转换为电压输出。 高频反射式涡流传感器多用于线位移。 高频反射式涡流传感器多用于线位移。
变气隙型
变导磁面积型
螺旋管型
N2 µ0 AN2 ∴L ≈ = R δ 2 δ
该式使 对螺线管式： 对螺线管式： L = [lr + (um − 1)la ra 2 ] l2
电感与输出电流的关系式为： 电感与输出电流的关系式为： I =