常常采用差动整流电路和相敏检波电路
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1
课题4 电感式传感器及应用
2015/10/12
2
引言
根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量 发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电 磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实 现测量的一种装置.
3
电感式传感器
原 理
被测非电量 电磁 自感系数L
变压器式交流电桥电路图
20
分析
• 设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法， 可得到电桥输出电压为
U o U AB
Z1 1 VA VB ( )U 2 Z1 Z 2 2
• 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线 圈的电感相等，阻抗也相等。 • 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
18
4.1.2 自感式传感器的测量电路
• 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用 的差动式传感器大多采用交流电桥式 。
• 交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双
臂工作方式。
19
1．变压器交流电桥
• 电桥有两臂为传感器的 差动线圈的阻抗，所以 该电路又称为差动交流 电桥
15
2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器 • 螺线管式自感式传感器常采用差动式。
• 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成 的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长 的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线 非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁 芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以 铁芯与线圈长度比为0.5,半径比趋于1 为宜。 • 铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 500 Hz以下多用硅钢片，500 Hz以上多 用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。 从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最 佳数值，应通过实验选定。
铁芯 线圈
δ
Δδ
磁路的总磁阻可表示为： li 2 Rm i S i 0 S 近似计算出线圈的电感量为：
N 2 S 0 L 2
衔铁
S为气隙的等效截面积，μ0为空气的磁导率，N线圈匝数，δ 气隙长度
10
结论
• 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气 隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后 者常用于测量角位移。 • 如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时， 自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。
24
结构
图中电桥的两个臂Z1、 Z2分别为差动式传感器 中的电感线圈，另两 个臂为平衡阻抗Z3、 Z4(Z3= Z4= Z0 ) , VD1、V2、VD3、VD4四只 二极管组成相敏整流 器，输入交流电压加 在A、B两点之间，输 出直流电压U0由C、D两 点输出，测量仪表可 以为零刻度居中的直 流电压表或数字电压 表。
不 足
存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
5
主要章节内容
• 4.1 自感式传感器 • 4.2 差动变压器式传感器 • 4.3 电涡流传感器
6
4.1 自感式传感器
• 自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变 的原理制成的，主要用来测量位移。 • 自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺 线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式 两种结构形式。
1—测杆 2—衔铁 3—线圈
16
2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器 • 螺线管式自感式传感器常采用差动式。
• 差动式电感传感器对外界 影响，如温度的变化、电 源频率的变化等基本上可 以互相抵消，衔铁承受的 电磁吸力也较小，从而减 小了测量误差。
1—测杆 2—衔铁 3—线圈
17
特性
从输出特性曲线(如 图4 -6所示)可以看 出，差动式电感传 感器的线性较好， 且输出曲线较陡， 灵敏度约为非差动 式电感传感器的两 倍。
11
4.1.1 常见结构形式
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁 4—测杆 5—导轨 6—工件 7—转轴
12
1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
N 2 S 0 L • 由电感式 2 可知，变气隙长度式传感器
的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小 位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁
wenku.baidu.com
• 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电 桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移 量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。
23
2．带相敏整流的交流电桥
• 上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源， 则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输 出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。 • 常采用带相敏整流的交流电桥。
7
内容
• 4.1.1 结构和工作原理 • 4.1.2 自感式传感器的测量电路 • 4.1.3 自感式传感器应用举例
8
自感式传感器的基本工作原理演示
F
衔铁移动 磁路中气隙磁阻变化
线圈的电感值变化
9
4.1.1 基本工作原理
Fm 由于 Nm LI , Fm NI , m Rm
2 N 可得： L Rm
13
1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
N 2 S 0 L • 由电感式 2 同样可知，变截面式传感器
具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽， 但灵敏度较低，常用来测量较大位移量。 • 为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动 结构。
• 将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥， 不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大 为减小。如当△x/l0 = 10%时，单边式非线性误 差小于10%，而差动式非线性误差小于1%。
21
变化时
• 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 ，
Z1 Z0 Z
Uo
Z 2 Z0 Z
Z 0 Z 1 Z ( )U 2 U2 2Z0 2 2Z0
22
变化后的电压
• 当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗
• 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
感应
测量 U、I、f 互感系数M 电路
定 义 利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 分 类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、 电涡流式。 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。
4
优 点
① 结构简单、可靠 ② 分辨率高 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。 ④ 能实现远距离传输、记录、显示和控制
课题4 电感式传感器及应用
2015/10/12
2
引言
根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量 发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电 磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实 现测量的一种装置.
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电感式传感器
原 理
被测非电量 电磁 自感系数L
变压器式交流电桥电路图
20
分析
• 设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法， 可得到电桥输出电压为
U o U AB
Z1 1 VA VB ( )U 2 Z1 Z 2 2
• 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线 圈的电感相等，阻抗也相等。 • 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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4.1.2 自感式传感器的测量电路
• 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用 的差动式传感器大多采用交流电桥式 。
• 交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双
臂工作方式。
19
1．变压器交流电桥
• 电桥有两臂为传感器的 差动线圈的阻抗，所以 该电路又称为差动交流 电桥
15
2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器 • 螺线管式自感式传感器常采用差动式。
• 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成 的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长 的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线 非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁 芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以 铁芯与线圈长度比为0.5,半径比趋于1 为宜。 • 铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 500 Hz以下多用硅钢片，500 Hz以上多 用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。 从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最 佳数值，应通过实验选定。
铁芯 线圈
δ
Δδ
磁路的总磁阻可表示为： li 2 Rm i S i 0 S 近似计算出线圈的电感量为：
N 2 S 0 L 2
衔铁
S为气隙的等效截面积，μ0为空气的磁导率，N线圈匝数，δ 气隙长度
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结论
• 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气 隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后 者常用于测量角位移。 • 如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时， 自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。
24
结构
图中电桥的两个臂Z1、 Z2分别为差动式传感器 中的电感线圈，另两 个臂为平衡阻抗Z3、 Z4(Z3= Z4= Z0 ) , VD1、V2、VD3、VD4四只 二极管组成相敏整流 器，输入交流电压加 在A、B两点之间，输 出直流电压U0由C、D两 点输出，测量仪表可 以为零刻度居中的直 流电压表或数字电压 表。
不 足
存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
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主要章节内容
• 4.1 自感式传感器 • 4.2 差动变压器式传感器 • 4.3 电涡流传感器
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4.1 自感式传感器
• 自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变 的原理制成的，主要用来测量位移。 • 自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺 线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式 两种结构形式。
1—测杆 2—衔铁 3—线圈
16
2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器 • 螺线管式自感式传感器常采用差动式。
• 差动式电感传感器对外界 影响，如温度的变化、电 源频率的变化等基本上可 以互相抵消，衔铁承受的 电磁吸力也较小，从而减 小了测量误差。
1—测杆 2—衔铁 3—线圈
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特性
从输出特性曲线(如 图4 -6所示)可以看 出，差动式电感传 感器的线性较好， 且输出曲线较陡， 灵敏度约为非差动 式电感传感器的两 倍。
11
4.1.1 常见结构形式
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁 4—测杆 5—导轨 6—工件 7—转轴
12
1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
N 2 S 0 L • 由电感式 2 可知，变气隙长度式传感器
的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小 位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁
wenku.baidu.com
• 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电 桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移 量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。
23
2．带相敏整流的交流电桥
• 上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源， 则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输 出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。 • 常采用带相敏整流的交流电桥。
7
内容
• 4.1.1 结构和工作原理 • 4.1.2 自感式传感器的测量电路 • 4.1.3 自感式传感器应用举例
8
自感式传感器的基本工作原理演示
F
衔铁移动 磁路中气隙磁阻变化
线圈的电感值变化
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4.1.1 基本工作原理
Fm 由于 Nm LI , Fm NI , m Rm
2 N 可得： L Rm
13
1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
N 2 S 0 L • 由电感式 2 同样可知，变截面式传感器
具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽， 但灵敏度较低，常用来测量较大位移量。 • 为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动 结构。
• 将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥， 不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大 为减小。如当△x/l0 = 10%时，单边式非线性误 差小于10%，而差动式非线性误差小于1%。
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变化时
• 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 ，
Z1 Z0 Z
Uo
Z 2 Z0 Z
Z 0 Z 1 Z ( )U 2 U2 2Z0 2 2Z0
22
变化后的电压
• 当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗
• 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
感应
测量 U、I、f 互感系数M 电路
定 义 利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 分 类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、 电涡流式。 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。
4
优 点
① 结构简单、可靠 ② 分辨率高 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。 ④ 能实现远距离传输、记录、显示和控制