常常采用差动整流电路和相敏检波电路
电感式传感器习题及其解答
第5章电感式传感器一、单项选择题1、电感式传感器的常用测量电路不包括（）。
A. 交流电桥B. 变压器式交流电桥C. 脉冲宽度调制电路D. 谐振式测量电路2、电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，下列说法不正确的是（）。
A. 衔铁上、下移动时，输出电压相位相反B. 衔铁上、下移动时，输出电压随衔铁的位移而变化C. 根据输出的指示可以判断位移的方向D. 当衔铁位于中间位置时，电桥处于平衡状态3、下列说法正确的是（）。
A. 差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置。
B. 差动整流电路可以判断衔铁的位置，但不能判断运动的方向。
C. 相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向。
D. 相敏检波电路可以判断位移的大小，也可以判断位移的方向。
4、对于差动变压器，采用交流电压表测量输出电压时，下列说法正确的是（）。
A. 既能反映衔铁位移的大小，也能反映位移的方向B. 既能反映衔铁位移的大小，也能消除零点残余电压C. 既不能反映位移的大小，也不能反映位移的方向D. 既不能反映位移的方向，也不能消除零点残余电压5、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有（）。
A．直流电桥 B．变压器式交流电桥C．差动相敏检波电路 D．运算放大电路6、通常用差动变压器传感器测量（）。
A．位移 B．振动 C．加速度 D．厚度7、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有( )。
A．直流电桥 B．变压器式交流电桥C．差动相敏检波电路 D．运算放大电路二、多项选择题1、自感型传感器的两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度（）。
A. 提高很多倍B. 提高一倍C. 降低一倍D. 降低许多倍2、电感式传感器可以对（）等物理量进行测量。
A位移 B振动 C压力 D流量 E比重3、零点残余电压产生的原因是（）A传感器的两次级绕组的电气参数不同B传感器的两次级绕组的几何尺寸不对称C磁性材料磁化曲线的非线性D环境温度的升高4、下列哪些是电感式传感器？（）A．差动式 B.变压式 C.压磁式 D.感应同步器三、填空题1、电感式传感器是建立在基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为或的变化，并通过测量电路进一步转换为电量的变化，进而实现对非电量的测量。
相敏检波电路
电子与信息工程学院控制科学与工程系 在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔 铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。 初级线圈的复数电流值为
R21
R1 e M1 ～ 21 L21 L1 L22 M2 ～ e22 R22 e2
I 1
e1 R1 jL1
I1
e1
～
ω—激励电压的角频率； e1—激励电压的复数值； 由于Il的存在，在次级线圈中产 生磁通
e1 e2 e21 e22 j M1 M1 R1 jL1
其幅数 输出阻抗 或
M 1 M 2 e1 e2 2 2 R1 L1
R R j L L Z 21 22 21 22
Z
R21 R22 2 L21 L22 2
2．选用合适的测量线路
采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动 方向，而且把衔铁在中间位置时，因高 次谐波引起的零点残余电压消除掉。如 图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特 性曲线由1变到2，从而消除了零点残余 电压。
1 -x 2 +x 0
相敏检波后的输出特性
电子与信息工程学院控制科学与工程系
3．采用补偿线路
N1I 1 21 Rm1
22
N1 I 1 Rm 2
e1初级线圈激励电压 L1,R1初级线圈电感和电阻 M1,M1 分别为初级与次级线圈 1,2 间的互感 L21,L22两个次级线圈的电感 R21,R22两个次级线圈的电阻
Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻， N1为初级线圈匝数。
～220V 稳压电源
振荡器 V
差动变压器
相敏检波电路
这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电 压为(0～50)mV，精度为1.5级。
位移的测量
敏度的位移测量。
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3.3 常用位移传感器测量电路
3.3.1电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的 改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理不同，电感 式传感器可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲的电 感式传感器通常是指自感式传感器。而互感式传感器由于它 是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压 器传感器。
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3.3 常用位移传感器测量电路
采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界 影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相 抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。
(2)电感传感器的测量电路 电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压
式中，
——空气隙厚度; ——空气隙的有效截面积; ——真空磁导率，与空气的磁导率相近。
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3.3 常用位移传感器测量电路
因此电感线圈的电感量为：
此式表明，当被测量使 , 或 发生变化时，都会引起 电感L的变化，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另 一个参数，电感量即为该参数的单一函数。由此，电感传感 器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型，如图3-2所 示。
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3.3 常用位移传感器测量电路
差动变压器式传感器也有变气隙式和变面积式，但最多采用 的是螺管式。图3-6为螺管式差动变压器的结构示意图。
差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分 布电容等的影响)，它的等效电路如图3-7所示。图中u1为一 次线圈激励电压;M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈间 的互感；L1、R1分别为一次线圈的电感和有效电阻；L21、 L22分别为两个二次线圈的电感；R21、R22分别为两个二次 线圈的有效电阻。
《传感器与检测技术(第2版)》试题二参考答案
传感器与自动检测技术仿真试题二参考答案试卷一一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。
错选、多选和未选均不得分。
1、B2、C3、A4、D5、D6、D7、A8、D9、A 10、D二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1、什么是直接测量、间接测量和组合测量？答：直接测量：首先对与被测量有确切函数关系的物理量进行直接测量，然后通过已知的函数关系求出该未知量，即需要将被测量值经过某种函数关系变换才能确定被测量值的测量方法。
间接测量：测量过程复杂，测量所需时间较长，需要进行计算才能得出最终的测量结果。
组合测量：在测量中，使各个待求未知量和被测量经不同的组合形式出现，根据直接测量或间接测量所得到的被测量数据，通过解一组联立方程求出未知量的数据的测量方法，即这种测量方法必须经过求解联立方程组才能得出最后结果。
2、画出压电式元件的并联接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的关系，并说明它的适用场合？答：从作用力看，压电元件是串接的，因而每片受到的作用力相同、产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。
并联接法如图与单片相比，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。
并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。
3、热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？答：由热电偶的测温原理可以知道，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有关，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作温度成单值函数关系。
实际应用时，由于热电偶冷端离工作端很近，且又处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，这样会带来测量误差。
为消除冷端温度影响，常用的措施有：①补偿导线法：将热电偶配接与其具有相同热电特性的补偿导线，使自由端远离工作端，放置到恒温或温度波动较小的地方。
常用传感器的工作原理及应用
3.1.1电阻式传感器的工作原理应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件：具有弹性应变特性的物体3.1.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。
工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。
输出的电量大小反映被测量的大小。
结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。
应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。
1．电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。
2．电阻应变片的结构基片bl电阻丝式敏感栅金属电阻应变片的结构4．电阻应变式传感器的应用（1）应变式力传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。
力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等（2）应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。
（3）应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。
（4）应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。
依据：a=F/m。
3.2电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时，电容量C 也随之变化。
如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。
1．变间隙型电容传感器此时电容C 变为：式中：εg —云母的相对介电常数，εg=7；ε0—空气的介电常数，ε0=1；d 0—空气隙厚度；d g —云母片的厚度。
传感器模拟试卷三参考答案
C C0 C
0 r S d0 d
1
C0 d
d0
C0 1
d d0
2
1
d d0
（2）
由（2）式可知，传感器的输出是非线性的。
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若Δd/d0<<1
时，1-(Δd/d0)2≈1，则式（2）可简化为
C
C0
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t0
t0
AB t1
图一
BA t2
分度号：K 测量端 温度/℃ +0 300
表一 K 型热电偶分度表（部分） （参考端温度为 0℃）
ห้องสมุดไป่ตู้
30
50
60
70
热电动势/mv
1.203
2.022
2.436
2.850
13.456
14.292
14.712
15.132
表二 E 型热电偶分度表（部分）
C0
d d0
此时 C 与Δd 近似呈线性关系。 所以，在Δd/d0 很小时，变极距型电容式传感器的输出（电容）与输
入（位移）有近似的线性关系。 3、什么是霍尔效应？为什么说只有半导体材料才适于制造霍尔片？
答：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时， 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象 称霍尔效应。
4、某测量者想用两只 K 型热电偶测量两点温度，其连接线路如图一所示，
已知 t1 =420℃, t0 =30℃，测得两点的温度电势为 15.132mv。但后来经检
查发现 t1 温度下的那只热电偶错用 E 型热电偶，其他都正确，试求两点实
差动变压器式传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式 传感器。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且 其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器， 简称差动变压器。
有变隙式、变面积式和螺线管式等
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可 以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵 敏度高、结构简单、性能可靠等优点。
5
测量电路
差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量， 只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外， 其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动 方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采 用差动整流电路和相敏检波电路。
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6
1．差动整流电路
是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流 的差值作为输出，这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。
一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通滤波器，把调制 的高频信号衰减掉，只允许衔铁运动产生的有用信号通过。
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典型电路
差动整流电路
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2．差动检波电路
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差动相敏检波电路
等效电路
9
（2）工作原理
传感器衔铁上移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
12
差动变压器式传感器的应用
差动变压器式 加速度传感器 是由悬臂梁和 差动变压器构 成，其结构如 图所示。
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振动传感器及其测量电路 压器式传感器的应用
力平衡式差压计
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浅谈变磁阻式传感器的原理及应用 论文
《传感器原理及应用》期中论文题目：浅谈变磁阻式传感器的原理及应用摘要随着信息时代的到来，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。
信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。
近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。
作为新型传感器的一种——变磁阻式传感器，对其深入研究也就更加愈加重要。
本文磁阻式传感器的基本概念入手，着重讨论了电感式、变压器式和电涡流式三种传感器的工作原理、输出特性、测量电路及其在生活中的实际应用。
旨在帮助我们利用传感器知识更好的改善生活，提高生活质量，从而促进社会进步。
关键词：变磁阻式传感器电感式变压器式电涡流式原理应用AbstractWith the advent of the information age, information technology played a decisive role on social development, scientific progress.The foundation of information technology includes information collection,information transmission and information processing,and information collection cannot ignore the sensor technology. In recent years, the sensor is in the stage of development from traditional to new. Magnetic resistance sensor as a kind of new type of sensor, the research of it is becoming more and more important. This paper started with the basic concept of magnetic resistance sensor,and discussed the inductive, transformer and the eddy current type of the sensor's working principle,output characteristics,measurement circuit and the actual application in the ing sensors aimed at helping us improve life,also to promote social progress.Keywords：magnetic resistance sensor; inductive; transformer; eddy current type; working principle application1.变磁阻式传感器1.1变磁阻式传感器定义变磁阻式传感器，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传感器。
7-位移的测量概述
2 零点电压 当铁心位于线圈中间时传感器的理想 输出应为零，而实际差动变压器输出存在
残余电压E0，称为零点电压 （零点残余电 压）。零点电压产生原因是差动变压器自
身结构不对称，激磁电流与铁心磁通的相 位差不为零和寄生电容等因数造成的。为 消除零点电压，通常在测量电路中采取补 偿措施。
当两个次级线圈完全一致，铁芯位于中 间时，输出电压为0。
主、次绕组间的耦合会随衔铁的移动而 变化。当铁芯向上运动时，互感M1大，M2 小，E21> E22 ；当铁心向下运动时，互感 M1小，M2大，E21< E22 。随着铁心上下移
动，输出电压E2发生变化，其大小与铁心的 轴向位移成比例，其相位反映铁心的运动方 向。这样输出电压E2就可以反映位移变化。
2024/7/15
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2. 电压分辨率 线绕电位器的电压分辨率，是在电刷 行程内电位计输出电压阶梯的最大值与最 大输出电压之比的百分数。对于具有理想 阶梯特性的线绕电位计，其理论的电压分 辨率为
由上式可以看出，线绕电位器的匝数 越多，其分辨率越高。
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3. 测量误差 阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下波 动，产生的偏差称为阶梯误差。电位器的阶 梯误差ej通常用理想阶梯特性曲线对理论特 性曲线的最大偏差值与最大输出电压值之比 的百分数表示。电位器阶梯误差为
在现代汽车控制中，采用电子油门控制踏 板位移量就能控制可燃混合气的流量，改变发 动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。
2024/7/15
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电子油门的核心是位移传感器。位移 传感器的输出控制一只微型电机，电机可 驱动节气门开度，即可控制油门的大小。
电位计式位移传感器为电子油门控制 器中的常用传感器。那么电位计式位移传 感器的工作原理是什么？其结构、特点、 适用场所如何？这就是我们本课题的任务 目标。
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)》综合试题(4套)
综合测试题及参考答案（4套）综合试题一一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。
错选、多选和未选均不得分。
1、传感器的主要功能是（）。
A. 检测和转换B. 滤波和放大C. 调制和解调D. 传输和显示2、在直流电路中使用电流表和电压表测量负载功率的测量方法属于（）。
A. 直接测量B. 间接测量C. 组合测量D. 等精度测量3、电阻应变片配用的测量电路中，为了克服分布电容的影响，多采用( )。
A．直流平衡电桥 B．直流不平衡电桥C．交流平衡电桥 D．交流不平衡电桥4、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有( )。
A．直流电桥 B．变压器式交流电桥C．相敏检波电路 D．运算放大电路5、实用热电偶的热电极材料中，用的较多的是（）。
A．纯金属 B．非金属C．半导体 D．合金6、光电管和光电倍增管的特性主要取决于（）。
A．阴极材料 B．阳极材料C．纯金属阴极材料 D．玻璃壳材料7、用光敏二极管或三级管测量某光源的光通量时，是根据它们的什么特性实现的( )。
A．光谱特性 B．伏安特性C．频率特性 D．光电特性8、超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的什么特性而工作的（）。
A. 反射B. 折射C. 衍射D. 散射9、下列关于微波传感器的说法中错误的是（）。
A. 可用普通电子管与晶体管构成微波振荡器B. 天线具有特殊结构使发射的微波具有尖锐的方向性C. 用电流—电压特性呈非线性的电子元件做探测微波的敏感探头D. 可分为反射式和遮断式两类10、用N 型材料SnO 2制成的气敏电阻在空气中经加热处于稳定状态后，与NO 2接触后（ ）。
A ．电阻值变小B ．电阻值变大C ．电阻值不变D ．不确定二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1、什么是传感器动态特性和静态特性？简述在什么条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么条件下一般要研究传感器的动态特性？实现不失真测量的条件是什么？2、分析如图6.1所示自感式传感器当动铁心左右移动时自感L 变化情况（已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S ，磁导率为μ，线圈匝数W 不变）。
常常采用差动整流电路和相敏检波电路
29
（3）活动铁芯向相反方向移动时
• 当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述 分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负 半周，电桥输出电压均为负值。
30
应用
1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
31
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
26
（2）活动铁芯向一边移动时
铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
27
结果
在Ui的正半周
Z 1 U o VD VC Ui 2Z 0 1 ( Z ) 2 2Z 0
在Ui的负半周
U o VD VC
Z 1 Z Ui Ui 2Z 0 1 ( Z )2 2Z 0 2Z 0
• 根据电磁感应原理，将有 组反向串联，因而 出电压为零，即
，由于两二次绕 ,即差动变压器输
• 式中，ω为激励电源角频率，单位为rad/ s ; M1、 M2分别为一次绕组N1与二次绕组N21、N22间的互 感量，单位为H; 为一次绕组的激励电流，单位 为A。
• 当活动衔铁向二次绕组N21方向(向上)移动时，由 于磁阻的影响，N21中的磁通将大于N22中的磁通， 即可得 ，从而使M1> M2， 因而必然会使 增加， 减小。因 为 。综上分析可得
• 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。
自动检测3答案
自动检测3答案第三章电感式传感器及其应用1.试说明单线圈变隙式差动传感器的主要组成，工作原理和基本特性单线圈型电感传感器的主要组成部分存有线圈，铁芯和衔铁三部分，铁芯和衔铁由导磁材料做成，在铁芯和衔铁之间存有气隙，单线圈电感传感器通过发生改变气隙厚度，铁芯和衔铁的相对覆盖面积等导致磁阻变化。
其基本特性就是结构直观，工作可信，寿命长。
带有可移动衔铁铁芯的电感线圈，其电感量与衔铁和铁芯之间的间隙有关。
间隙越小电感量越大，反之电感量越小。
如果两个单一制的电感线圈a，b共用一个可移动的衔铁，衔铁紧邻a线圈时靠近b线圈，此时a电感量减小b电感量减少；衔铁紧邻b线圈同时靠近a线圈，此时b电感量减小a电感量减少。
如果把被测加速度的物体与衔铁相连接，就形成了变隙式差动电感加速度传感器。
把a，b两个电感线圈做为交流电桥的两个臂，就可以把被测加速度切换为电压信号输入。
(1)差动式比单线圈式的电感传感器的灵敏度提升一倍。
（2)差动式的线性度显著地提升;(3)由外界的影响，差动式也基本上可以相互抵销，衔铁忍受的电磁式也较小，从而可以增大测量误差。
2.为什么螺线管式电感传感器比变隙式传感器由更大的测位移范围?螺线管式电感传感器这种传感器结构直观，制作难，但灵敏度略低，且衔铁在螺线管中间时，才有可能呈现出线性关系。
此传感器适宜加速度很大的场合测量。
k1与变量?有关，因而k1不是一常数，?越小，灵敏度k1越高，为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器仅能工作于一小段的区域，因而只能用于微小位移的测量。
3.电感式传感器测量电路的主要任务就是什么？变压器式电桥和拎相敏整流的交流电桥，谁能够更好的顺利完成这一任务？为什么副线圈可以直接输出电压、电流；用霍尔元件测量磁感强度、磁路与衔铁连接会产生力，用压力传感器可以测量电感量的变化、用一个弹簧顶住衔铁，随力的大小变会，距离产生了变化，可以再用位移传感器将电感量的变化测出。
拎相敏整流的交流电桥更能够顺利完成这一任务，因为不仅可以加速度大小方向，还能够消解零点电压的影响。
差动整流电路和相敏检波电路
L L0 0
（4-14）
灵敏度为
L
K0
L0
1
0
（4-15）
可见：变气隙电感式传感器的测量范围与灵敏度及线性度相 矛盾，因此变气隙电感式传感器适用于测量微小位移的场合。
与K 0 L
• 衔铁上移
– 切线斜率变大
L0＋L
– 灵敏度增加
K0 LL0 10 10 L0－LL00 2
• 衔铁下移
电感测微仪是用于测量微小尺寸变化很普遍的一种工具，常用于测量 位移、零件的尺寸等，也用于产品的分选和自动检测。
测量杆与衔铁连接，工作的尺寸变化或微小位移经测量杆带动衔铁移 动，使两线圈内的电感量发生差动变化，其交流阻抗发生相应的变化，电 桥失去平衡，输出一个幅值与位移成正比、频率与振荡器频率相同、相位 与位移方向对应的调制信号。如果再对该信号进行放大、相敏检波，将得 到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号。
当衔铁上移时： 当衔铁下移时：
U0
U 2
0
U U0 2 0
2. 变压器式交流电桥
C ＋U
U
－2
＋U
－2 D
Z1
＋A Z2 U o
－ B
变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交 流变压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压
U oZ1Z 2Z2U1 2UZ Z1 2 Z Z2 1U 2
L2a
U o
RL
U i
Mb
r2b
－
E 2b
L1b
L2b
－
r1b
变隙差动变压器电感式传感器的等 效电路
当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中
第三章 位移的检测
涡流式传感器
电磁炉内部的励磁线圈
涡流式传感器
电磁炉的工作原理
高频电流通过励 磁线圈，产生交 变磁场，在铁质 锅底会产生无数 的电涡流，使锅 底自行发热，烧 开锅 内 的 食 物。
涡流式传感器
三、涡流的分布和强度
涡流的分布： 因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面 薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡 流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。
第三章 位移的测量 3.1概述
位移的测量：对线位移和角位移的测量的总 称。 包括：长度、厚度、距离、物位、高度、镀 层、表面粗糙度、角度等的测量。 1、直接非电测量：利用喷嘴-挡板，通过流 量测位移； 2、将位移量转化为模拟电量： ①位移使传感器的结构变化产生电信号； ②位移量转化为数字：如光电式编码器、磁 电式感应同步器等。
标定位移时的实验数据及曲线
自感式传感器
相敏整流电桥
自感式传感器
压力测量用的膜盒
膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压 有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时， 膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。
变压器式传感器
一、变隙式差动变压器
差动变压器式传感器的结构示意图 两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名 端则反相串联。
电容式测量
利用被测量的变化去改变电容的结构参数，从而 改变物体间的电容量，通过测量电容来实现对被 测量的检测。
电容式传感器
利用电容式测量原理实现的传感器称为电容式传 感器。
优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性 强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、 湿度和成分含量等测量之中。
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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%。
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。
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。
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
• 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。
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
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
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。
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
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
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
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。
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。
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。
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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