传感器第四章电感式传感器
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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
传感器原理与应用
《传感器原理与应用》 , 第58页第四章电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应把铰测的物理量加位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数人或互感系数AJ的变化，再由涵量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器具有以下特点：(1)结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长；(2)灵敏度和分辨率高，能测出0．01Pm酌位移变化。
传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；(3)线性度和重复性都比较好，在一定位移范围几十微米至数毫米内．传感器非线性误差可做到0．05％一0．1％，并且稳定性也较好。
同时．这种传感器能实现信息的远距离传辖、记录、显示和控制，它在上业自动控制系统中广泛被采用；但是它台频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。
变磁阻式传感器变磁阻式传感器的结构如图4—1所示。
它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
铁芯利衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。
在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为8。
传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气院厚度6发生变化，从而使磁路中磁配变化．导致电感线圈的电感值变化，这样可以籍以判别被tIg量的位移大小。
线圈的电感值L可按下列电工学公式计算：式中贝——线圈匝数；RN——单位长度上磁路的总磁阻磁路总磁阻可写为式中 Rf——铁芯磁阻；R6——空气气隙磁阻式(4—3)中第一项为铁芯磁阻v第二项为衔铁磁阻；Ll一一磁通通过铁芯助长度(m)；4l——铁芯横截面积(m’)；Al——铁芯材料的导磁率(H／m)；乙——磁通通过衔铁的长度(m)；A2——衔铁横截面积(m2)；A：——衔铁材料的导磁率(H／m)；j一—气隙厚度(m)；A一—气隙横截面积(m’)；P。
——空气的导磁率(4n×10“H／m)。
由于及f《Rj，常常忽略Rf，因此，可得线圈电感为《传感器原理与应用》 , 第59页由式(4—5)可知，当线圈匝数确定后，只要改变j和4均可导致电感的变化，因此v变碰阻式传感器又可分为变气隙厚度6的传原器和变气隙面积4的传感器。
《电感式传感器》课件
电感式传感器的应用领域
介绍电感式传感器在工业、农业、医疗等领域的广 泛应用。
电感式传感器的优缺点分析
分析电感式传感器的优点、缺点以及与其他类型传 感器的比较。
电感式传感器的应用案例
1
电感式传感器在工业领域的应用
案例
电感式传感器在农业领域的应用 案例
2
讲述一个实际案例，介绍电感式传感器 在工业生产中的应用。
介绍电感式传感器按照不同 的特征进行的分类。
电感式传感器的结构与工作原理
电感式传感器的结构
详细解释电感式传感器的内部结 构和组成。
电感式传感器的工作原理
阐述电感式传感器是如何通过测 量磁场来实现检测和转换的。
电感式传感器的特点
列举电感式传感器相对于其他传 感器的优势和特点。
电感式传感器的应用及优缺点
《电感式传感器》PPT课 件
为您带来《电感式传感器》的PPT课件，本课件将全面介绍电感式传感器的概 述、结构与工作原理、应用及优缺点、应用案例、未来发展趋势等内容。
概述
传感器的定义
介绍传感器的定义以及在技 术领域中的关键作用。
电感式传感器的作用
说明电感式传感器在各个行 业中的重要作用。
电感式传感器的分类
以一个具体的场景，说明电感式传感器 在农业领域中的应用价值。
电感式传感器的未来发展趋势
1 电感式传感器的现状和发展趋势
描述电感式传感器目前的研究状况以及未来的发展趋势。
2 展望电感式传感器的发展前景
展望电感式传感器在未来的应用领域和发展前景。
总结
电感式传感器的重要性
总结电感式传感器在各个领域中的重要作用。
发展趋势展望
回顾并展望电感式传感器的未来发展趋势。
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
sensor4 - 电感式传感器测量电路和典型应用
第四章
电感式传感器
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
四、电感式传感器测量电路
4.1、自感式传感器测量电路 4.1.1 调幅电路 （1）变压器电路
U U U0 Z1 Z1 Z 2 2
初始平衡时：Z1 Z2 , U o 0 当衔铁偏离中间零点时：
L 2arctan( ) R
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
4.2 互感式传感器测量电路
相敏检波电路 工作条件：
R1 R2 R0
C1 C2 C0
er , e1
同频同相且
er e1
CD端输出电压值与既与衔铁位移大小正比， 电压正负代表衔铁移动方向。
5 测转速
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
6 板厚测量
~
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
7 电感式接近传感器（金属）
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
8 零件加工过程控制
北京理工大学机电学院
2、力的测量
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
4、振动测量
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
电感式传感器
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
四、电感式传感器测量电路
4.1、自感式传感器测量电路 4.1.1 调幅电路 （1）变压器电路
U U U0 Z1 Z1 Z 2 2
初始平衡时：Z1 Z2 , U o 0 当衔铁偏离中间零点时：
L 2arctan( ) R
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
4.2 互感式传感器测量电路
相敏检波电路 工作条件：
R1 R2 R0
C1 C2 C0
er , e1
同频同相且
er e1
CD端输出电压值与既与衔铁位移大小正比， 电压正负代表衔铁移动方向。
5 测转速
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
6 板厚测量
~
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
7 电感式接近传感器（金属）
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
8 零件加工过程控制
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2、力的测量
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
4、振动测量
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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。
《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读
三、电位计式传感器
令 R / RL m， Rx / R x
(x 0时, Rx 0; x 1时,
UL
U
1
x mx(1
x)
Rx R)得
U L 与 x 呈非线性关系
电位计式传感器原理图
U Rx
x
R
a
RL UL
非线性相对误差 为：
b
(UL )m0 (UL )m0 100% [1 (UL )m0 ]100%
第一节. 概 述 传感器的组成
敏感元件
被测量
转换元件 辅助电源
基本转换电路
电量
敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的 某一物理量的元件。
转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电 路），便可转换成电量输出。
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器
C 2 h11 2 (h h1)2
ln R
ln R
r
r
2 h2 2 h1(1 2)
ln R
ln R
r
r
容器内介质的介电常数 1
容器上面气体介质介电常数 2
输出电容C与液面高度成线性关系
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器 — 应用
积变化 △AA ，电阻率的变化为 △ρ ，相应的电阻变化为 dRdR。对
式 R l 全微分得电阻变化率 dR//RR 为：
s
dR dl 2 dr d Rl r
上式中：dl l 为导体的轴向应变量 l ；dr / r 为导体的横向应变量 r
由材料力学得：l r
式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.3～0.5 左右
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
传感器原理及应用-第4章 - 4.2 差动变压器式电感传感器
§4.2 差动变压器式电感传感器
二、变隙式差动变压器
2、变隙式差动变压器输出特性
在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗 忽略不计）、漏感以及变压器次级开 路（或负载阻抗足够大）的条件下的 等效电路。 不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响 时，变隙式差动变压器输出电压为
b a W2 U U 2 b a W1 1
M
基本种类
有变隙式、变面积式和螺线管式等。 应用最多的是螺线管式差动变压器。
初1 级 线 圈
3
次 级 线 圈
2
4
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
二、变隙式差动变压器
三、差动变压器式传感器测量电路
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
1、螺线管式差动变压器结构与原理
U2 r1 L1
2 2
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
2、螺线管式差动变压器输出特性
U2
M a M b U 1
r1 L1
2 2
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
二、变隙式差动变压器
三、差动变压器式传感器测量电路
根据电磁感应原理有
E E 2a 2b
变压器两次级绕组反 向串联，则差动变压器输 出电压为零。
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
2、螺线管式差动变压器输出特性
当次级两绕组反向串 联、次级开路时差动变压 器输出电压为 差动变压器输出电动势的大小和相 位可知道衔铁位移的大小和方向。
二、变隙式差动变压器
2、变隙式差动变压器输出特性
《传感器与检测技术(第2版)》参考答案第4章 电感式传感器
第4章电感式传感器四、简答题 1、 答：工作原理：假设：初级绕组W 1a =W 1b =W 1，次级绕组和W 2a =W 2b =W 2。
两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。
当没有位移时，衔铁C 处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有δa 0=δb 0=δ0，则绕组W 1a 和W 2a 间的互感M a 与绕组W 1b 和W 2b 的互感M b 相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e 2a =e 2b 。
由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压U o =e 2a -e 2b =0。
当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa ≠δb ，互感Ma≠M b ，两次级绕组的互感电势e 2a ≠e 2b ，输出电压U o =e 2a -e 2b ≠0，即差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。
知识点：差动变隙式电感传感器2、答：变隙式电感传感器的输出特性与衔铁的活动位置、供电电源、线圈匝数、铁芯间隙iU Bo变隙式差动变压器结构有关。
知识点：变隙式电感传感器3、答：为改善变隙式电感传感器的非线性可采用差动结构。
如果变压器的供电电源稳定，则传感器具有稳定的输出特性；另外，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。
增加次级线圈和初级线圈的匝数比值和减小铁芯间隙都能使灵敏度提高。
知识点：变隙式电感传感器4、答：差动变压器式传感器主要有变隙式差动传感器和螺线管式差动变压器两种结构形式。
差动变压器式传感器根据输出电压的大小和极性可以反映出被测物体位移的大小和方向。
螺线管式差动变压器如采用差动整流电路，可消除零点残余电压，根据输出电压的符号可判断衔铁的位置，但不能判断运动的方向；如配用相敏检波电路，可判断位移的大小和方向。
知识点：差动变压器式传感器5、答：零点残余电压的产生原因：传感器的两次极绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和，磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）。
04电感式传感器
三、电感式传感器的应用
2.力和压力测量
图2-41是差动变压器式力传感器。当力作用于传感器时，弹 性元件产生变形，从而导致衔铁相对线圈移动。线圈电感的 变化通过测最电路转换为输出电压，其大小反映了受力的大 小。
三、电感式传感器的应用
2.力和压力测量
差动变压器与膜片、膜盒和弹簧管等相结合，可以组成压力 传感器。图2-42是微压力传感器结构示意图。在无压力作用 时，膜盒在初始状态，与膜盒连接的衔铁位于差动变压器线 圈的中心。当压力输入膜盒后，膜盒的自由端产生位移并带 动衔铁移动，差动变压器产生一正比于压力的输出电压
二、差动变压器式传感器
1.工作原理
零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近 不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性 能好坏的重要指标
二、差动变压器式传感器
1.工作原理
为了减小零点残余电动势可采取以下方法： ①尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。 磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀 稳定。 ②选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路，既可判别衔 铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。
它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传 感器的分辨率与测量范围有关，测量范嗣大．分辨率低：反之 则高。
第三节、电感式传感器
电感式传感器种类很多，一般分为自感式和互感式两大类。 人们习惯上讲电感式传感器通常指自感式传感器，而互感式传 感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差 动变压器式传感器。因为电涡流也是一种电磁感应现象，所以 也将电涡流传感器列入本节。
三、电感式传感器的应用
3.振动和加速度的测量
图2-43为测量振动与加速度的电感传感器结构图，衔铁受振 动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的 位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小电压
电感式传感器习题集.
第四章电感式传感器
4.1 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同之处。
4.2 变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用于什么场合？它们各有什么优缺点？
4.3 螺管式电感传感器做成细长形有什么好处？欲扩大螺管式电感传感器的线性范围，可以采取哪些措施？
4.4 差动式电感传感器测量电路为什么经常采用相敏检波（或差动整流）电路？试分析其原理。
4.5 试述电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。
4.6 差动变压器式传感器采用恒流激磁有什么好处？
4.7 电源频率波动对电感式传感器的灵敏度有何影响？如何确定传感器的电源频率？
4.8 试从电涡流式传感器的基本原理简要说明它的各种应用。
4.9 用反射式电涡流传感器测量位移（或振幅）时对被测体要考虑哪些因素？为什么？
4.10 反射式电涡流传感器探头线圈为什么通常做成扁平型？
4.11 试从压磁式传感器的工作原理和结构特点出发分析其应用场合。
4.12 若差动式自感传感器的两个线圈的有效电阻不等（R1≠R2）,则在机械零位时存在零位电压（U≠0）。
试用矢量图分析能否用调整衔铁位置的方式使U0 =0？（设传感器接入下图电桥）。
4.13 试计算下图所示差动变压器式传感器接入桥式电路（顺接法）时的空载输出电压U0 ；已知初级线圈激磁电流为I 1 ，电源角频率为w，初、次级线圈间的互感为Ma 、Mb ，两个次级线圈完全相同。
又若同一差动变压器式传感器接成图（b）所示反串电路（对接法），问两种方法中哪一种灵敏度高？高几倍？。
第4章_常用传感器原理及应用素材
1、变气隙式
L 与δ呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为
灵敏度S与气隙长度δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度S愈高。 这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1 mm。
2、变面积式
自感L与S0 呈线性关系，这种传感器灵敏度较低。
3、螺管式
单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时， 将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这 种传感器结构简单、制造容易，但灵敏 度低，适用于较大位移(数毫米)测量。
2. 面积变化型电容式传感器 面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下 来变化极板的有效面积，常用的有角位移型和线位移型两种。
由于平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度。
上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成 线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角 位移及直线位移的测量。
测力计
温度计 压力计
二、传感器的组成 传感器通常由三部分组成： 敏感元件： 直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转 换成电量参量 。 转换电路： 把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显 示、记录或控制的有用的电信号的电路。
三、传感器的类型 1、按被测对象分：位移传感器、压力传感器和压力传感器等； 2、按工作原理分：电阻应变式、电感式、电容式和压电式等；
明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。 常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压 电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此 外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料得 到广泛的应用。（新型材料）
二、等效电路
压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0并联的等效电路。 也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路 。
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上式曲线如下图。
传感器第四章电感式传感器
由曲线可看出当铁芯长度取 1.2l 时，线性最好。对
于差动电感，其差动输出为
L L1 L2
L
L
2
lC lC
1
l lC
1
2
r rC
1
r
1
由上式可见，差动电感灵敏度提高一倍。为了提高灵 敏度应使线圈与铁芯在长度和半径上尽量接近。并 且选用导磁率大的材料。
传感器第四章电感式传感器
二、螺线管型电感传感器
螺线管型电感传感器分为单线圈和差动式两种结构。 单螺线管传感器结构见下图。
传感器第四章电感式传感器
2006.9.29 JC204->
参见下图，螺线管线圈在轴向产生的磁场，其磁场强 度
Hl I2n(co1sco2s)
传感器第四章电感式传感器
上式中 n N l 将上式改用轴向的位置 x表示，则为
、线圈的寄生电容
C。
传感器第四章电感式传感器
（一）铜损电阻 铜损电阻即电线的铜电阻， 当忽略趋肤效应时，铜损 电阻
RC
4C NlCP d2
（二）涡流损耗电阻
由于铁芯内产生电涡流而导致的能量损耗，称为涡流 损耗，将它等效为一电阻消耗电功率，其电阻值定 义为涡流损耗电阻。
传感器第四章电感式传感器
如果铁芯有磁性材料叠压而成，每片叠片的厚度
取 r rC 得
Re 6l(rt2/hr)20N2
12SN 2
lt2
传感器第四章电感式传感器
（三）并联寄生电容
并联寄生电容有线圈的固有电容及电缆的分布电容组 成。
第四章 电感式传感器
电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现非电 量测量的装置。
与其它传感器相比优点有： 结构简单、可靠，测力小，分辨率高，重复性好，线
性度优良。 缺点： 存在交流零位信号，不适宜作高频动态测量。
传感器第四章电感式传感器
4.1 自感式传感器
自感式传感器常用的有气隙型和螺线管型两种结构。 一、气隙型电感传感器 （一）工作原理 结构原理见图。
为R mS 1 0 l r ll S 1 0 ll rr 1
考虑 r 1 ，得到
Rm
1
S0
l
lr r
L S0N2 K 1 ll/r ll/r
传感器第四章电感式传感器
设衔铁移动使气隙长度减少 于是得
l
，则电感增加
L1，
LL1Kl
1
ll/r
电感的相对变化
L L1 ll1l/1 lr1 ll11 l/1 lr
由以上分析，知 1.电感变化与气隙变化非线性； 2.气隙增大和减小并不对称。
传感器第四章电感式传感器
对于差动式电感传感器，其电感的相对变化
L LL1 LL22 ll1 ll2
传感器第四章电感式传感器
电感变换灵敏度可以写为
其线性度K'L lL 2lL 1l/1 lr
ll
1
1l /lr
2
由上分析知： 1.差动式灵敏度提高一倍； 2.线性失真减小。
为 t ，涡流穿透深度为 h ，则
Re
2h t
cosh
sinh
t cos t
h hL
t sin t h hFra bibliotek通常h f
传感器第四章电感式传感器
当涡流穿透深度小于叠片厚度一半时，涡流损耗电阻
公式可简化为
Re
(t
6 / h)2
L
将铁芯电感公式代入得
Re6 l(t/h 0)N 22 r2(r1)rC 2
传感器第四章电感式传感器
螺线管式电感传感器的主要特点有： 1.结构简单； 2.灵敏度低、线性范围大； 3.易受外部磁场干扰； 4.线圈匝数多，分布电容大； 5.线圈尺寸形状必须稳定。
三、电感线圈的等效电路
实际电感线圈不可能为纯电感，它包括铜损电阻 R C 、
铁芯的涡流损耗电阻 其等效电路见图。
R
e
I
l
对于插入铁芯的线圈，如果插入长度与线圈长度相等，
铁芯半径为 ，rC则线圈的自感磁通
自B1S1B2S2
rrC
传感器第四章电感式传感器
B2 0nI
B1 H r 0 nI
于是 自 B1S1 B2S2
r0nIrC2 0nI(r2 rC2)
0IN
l
r2
(r
1)rC2
因此，电感
L 自 N自
Hl n2I
lx (lx)2r2
x x2r2
通常 l r ，忽略螺线管内磁场强度的不均匀性，
磁场强度和磁场感应强度可近似为
H n,IB0H 0nI
螺线圈的自感磁通
自BS0nIS
自感磁链
自 N自 NB 0S N 2IS /l
传感器第四章电感式传感器
传感器第四章电感式传感器
有电感的定义有
L自0N2S
析基于磁场均匀分布，实际磁场强度分布不均匀， 因此输出量与输入量之间具有非线性。
为了提高线性度和灵敏度，常采用差动螺线管式电感 传感器。结构参见图。
传感器第四章电感式传感器
图中沿轴向的磁场强度分布为
H ln 2I(l lx )x 2r2(l lx )x 2r2x2 2 xr2
传感器第四章电感式传感器
传感器第四章电感式传感器
由磁路基本知识可知，线圈电感
N2 L
Rm
考虑气隙中磁场强度均匀，忽略铁损，则总磁阻为
Rml11S1
l2
2S2
l
0S
考虑，空气的磁导率远远小于铁芯的磁导率，因此
Rm
l
0S
于是
L N2 N20S
Rm
l
传感器第四章电感式传感器
（二）特性分析
分析灵敏度和线性度。设磁路总长为 l ，则总磁阻
II
0N2 l
r2 (r 1)rC2
传感器第四章电感式传感器
如圈果看插作入两铁个芯线的圈长的度串lC联小。于见线下圈图长。度 l，可以把线
LL1L2
0N12 lC
r2(r 1)rC2
r20N22
llC
lC
l lC
r rC
L1
L2
传感器第四章电感式传感器
考虑线圈均匀绕制，有
N1NllC, N2NlllC
考虑
l l
1
1l /lr
1
传感器第四章电感式传感器
令
1l
1
/l
r
将上式展开为级数形式，得
L L1 ll1 ll ll2
同样，当气隙长度增加时，有
L L2 ll1 ll ll2
传感器第四章电感式传感器
忽略高次项，则电感变化灵敏度为
KL lL lL lL 1l/1 lr
其线性度为
ll ll1l/1 lr
于是
Ll0 2N2 lr2lC(r1)rC 2 若 lC 增加 lC ，则
L L l0 2 N 2l2 r (lC lC )(r 1 )rC 2
Ll02N2lC(r 1)rC 2
传感器第四章电感式传感器
于是相对变化量
LlC L lC
1llC
1
rrC2r11
由上式可见，输出与铁芯位移量成线性关系。以上分