自感式位移传感器
《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
差动自感式传感器结构工作原理
差动自感式传感器结构工作原理下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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传感器与检测技术3电感式位移传感器
4
29
（二）互感式传感器—差动变压器
❖ 1.互感式传感器的结构与工作原理 ❖ 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影响）时的等效电路：
30
（二）互感式传感器—差动变压器
❖ 1.互感式传感器的结构与工作原理 ❖ 当衔铁移向次级绕组N1一边，互感M1增大，M2减
小，因而次级绕组N1内的感应电动势大于次级绕 组N2内的感应电动势，这时差动变压器输出电动 势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大， 差动输出电动势就越大。
0
2 0
0
0
1
线圈 铁芯
δ Δδ
8
（一）自感式传感器
❖1.自感式传感器的工作原理
❖ 变气隙式自感传感器的输出特性
L 1
SN 2 0 2 0
0
0
1
L
0 0
衔铁
L 1
/ 0
L 1 /
0
0
0
线圈 铁芯
δ Δδ
9
（一）自感式传感器
❖1.自感式传感器的工作原理
❖ 变气隙式自感传感器的输出特性
❖ 2. 原理消除零点残余电压方法： ❖ （1）从设计和工艺上保证结构对称性 ❖ 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加
工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。 其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的 导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以 提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生 的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性 段。
20
（一）自感式传感器
❖1.自感式传感器的工作原理
❖ 三种类型比较： ❖ 气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非
传感器与检测技术 第 3 章 位 移 传 感 器
３. １ 自 感 式 位 移 传 感 器
• ２. 相 敏 检 波 电 路 • 检 波 是 将 交 变 信 号 转 换 为 直 流 平 均 值 ，它 的 作 用 是 将 电
感 的 变 化 转 换 成 直 流 电 压 或电 流 ， 以 便 用 仪 表 指 示 出 来 。 但 若 仅 采 用 电桥 电 路 配 以 普 通 的 检 波 电 路 ， 则 只 能 判 别 位移 的 大 小 ， 却 无 法 判 别 输 出 电 压 的 相 位 和 位 移 的 方 向 。 如 果 在 输 出 电 压 送 到 指 示 仪 表 之 前 ，经 过 一 个 能 判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的 大 小 ） ， 还 可 以 反 映 输 出 电压 的 相 位 （ 位 移 的 方 向 ） ， 这种检波电路称为相敏检波电路。 • 图 ３ －６ 所 示 为 相 敏 检 波 电 路 的 原 理 图 ， 四 个 特 性 相 同 的 二 极 管 ＶＤ １ ～ ＶＤ ４ 串 接 成 一 个回 路 ， 四 个 节 点 １ ～ ４分别接到两个变压器Ａ和Ｂ的次级线圈上。
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３. １ 自 感 式 位 移 传 感 器
• （ ２） 变 截 面 式 自 感 传 感 器 • 图 ３ －３ （ ｂ） 所 示 为 变 截 面 式 自 感 传 感 器 的 结 构 。 在
式 （ ３ －２） 中 ， Ｎ 确 定 后 ， 若 保 持气 隙 厚 度 δ 为 常 值 ， 则 Ｌ ＝ ｆ（ Ａ） ， 即 电 感 Ｌ 是 气 隙 有 效 截 面 积 Ａ 的 函 数 ， 故 称 这 种 传 感 器 为变 截 面 式 电 感 传 感 器 。 • 它 的 特 性 曲 线 如 图 ３ －４ （ ｂ） 所 示 ， 电 感 Ｌ 与 气 隙 有 效 截 面 积 Ａ 成 正 比 ， 输 入 、 输 出 呈线 性 关 系 。 由 图 ３ － ４ （ ｂ） 中 的 虚 线 可 以 看 出 ， 灵 敏 度 Ｋ １ 为 一 常 数 。 但 是 ， 由 于 漏 感 等 原因 ， 它 的 特 性 曲 线 并 非 是 线 性 的 ， 而 且它的线性区较小，灵敏度低。
普通物理II实验-实验八 电感位移传感器特性研究
实验八电感位移传感器特性研究【实验目的】1.了解电感位移传感器工作原理；2.测量自感式传感器特性；3.测量差动变压器式传感器特性。
【实验原理】1．自感式位移传感器当磁棒插入线圈中并发生位移时，回路自感的大小与这回路所围面积的磁链数有关，由于磁棒在外部的磁感线是发散的、密度较稀，在内部的磁感线密度很大，所以自感L随磁棒位移x而发生变化。
而自感式传感器是把被待测位移变化转换成自感L变化的一种传感器。
自感式传感器的自变量为L，电感测量常见方法有以下两种。
（1）RL分压法测电感图9.1（a）所示的RL分压法测量电感接线图，因为电感的电流落后电压90°，而串联电路流过的电流是相同的，所以电感的电流与电阻的电压同相位。
我们把电阻电压VR放在X轴上，则电感电压VL在Y轴正向。
因为串联电路流过的电流相同，所以我们可以把电流因子约去。
由图9.1（b）可知V R V i =√VR2+VL2=√1+(ωL/R)（1）L=Rω√(Vi/VR)2−1（2）所以，只要已知R、ω、Vi ，测量VR即可求出L。
（2）LC谐振电流法测量电感如图9.2所示，我们再在RL回路中串入一个电容C。
串联电路流过各元件的电流相同，但电容上的电压落后电流90°。
我们仍把电阻上的电压作为参考量放在x轴，那么，电容电压将位于y轴的负方向。
这样电容上的电压和电感上的电压都位于y轴且方向相反。
一种特殊情况下，无论电感和电容的值是多少，总能找到一个频率使得VC=VL，由图9.2（b）看出，在y方向上的合成量为零。
这种情况称之为谐振，此时回路电流为谐振电流，用取样电阻R就得到了取样电压，此时取样信号与信号源信号同相位且为最大值，利用这个特点，我们可以测量精确电感。
由VC=VL，约去电流因子我们有XC=XL，即ωL=1（3）ωC（4）L=1ω2C可以看出，只要信号源频率、电容C已知，L就可以计算。
这种测量方式避免了测量仪表直接加在被测元件上，对于小容量电容测量很有好处，由于是比较相位，所以特别灵敏。
自感式传感器
传感检测技术基础
传感检测技术基础
自感式传感器
1.1闭磁路自感式传感器
1．工作原理
闭磁路自感式传感器的原理
结构如图3.1所示，它是由线ห้องสมุดไป่ตู้L、 衔铁（又称可动铁心）B，铁心A 三部分组成。衔铁和铁心一般为 硅钢片或坡莫合金叠片。衔铁B用
拉簧定位，使A、B间保持一个初
始距离l0，在铁心A上绕有W线圈。
L W
II
图3.1 闭磁路自感式传感器
4．闭磁路差动式自感传感器
对变截面型差动式自感传感器，其灵敏 度为，比单极式提高了一倍。对变间隙型 差动式自感传感器，其灵敏度为
Ss
W 2 0
l0
对变间隙型差动式自感传感器，其灵敏 度为
Sl
2L0 l0
[1 ( l )2 l0
]
2L0 l0
图3.3 差动式自感传感器
图3.3 差动式自感传感器
1.2 开磁路自感式传感器
1．螺线管式自感传感器
螺线管式自感传感器是利用载流螺线管原理制成的，所不同的是 在载流螺线管内有与外作用固连在一起的插棒式运动铁心。
图3.4为螺线管式（或螺管式）自感传感器的结构原理图。它是 由螺管线圈、铁心及磁性套筒等组成。铁心随外作用插入螺线管时， 将引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈的电感发生变化。
图3.9 调相电路
1.4 零点残余电压
造成零点残余电压的主要原因是： （1）差动式自感传感器的两个传感器不完全对称，如几何尺寸不对
称、电气参数不对称及磁路参数不对称； （2）存在寄生参数； （3）供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡； （4）供电电源很好但磁路本身存在非线性； （5）工频干扰。
自感式电感传感器
1.1.4 差动式电感传感器
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式 电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量
误差。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型 的差动结构。
l 23
l
3
4 3
4
4 l2
a)
b)
c)
图4.1.5 差动式电感传感器 a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型
LL
b) 变压器式电桥
c) 紧耦合电感臂电桥
1.2.1 电阻平衡臂电桥
电 阻 平 衡 臂 电 桥 如 上 图 a 所 示 ， 工 作 时 ， Z1=Z+△Z 和 Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为
.
.
U0
Z1
.
U
R1
.
U
Z1 2R R(Z1
Z
2
)
.
U
U
Z
Z1 Z2 R1 R2
Rm
l1
1 A
l2
2 A
2 0 A
因此：
L N2 Rm
l1
N2
l2 2
1 A 2 A 0 A
线圈的电感值可近似地表示为
L N 20 A 2
因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。
1.1.2 变面积型电感传感器
铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化
面改变，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，见图1.2。L与δ是非线
性的，但与A成正比，特性曲线参见图1.ห้องสมุดไป่ตู้。
2
1
L
3
δ
L=f(A)
图4.1.2 变面积型电感传感器
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
第2章位移检测传感器之电感式
根据鼓励频率不同分为
高频反射式涡流传感器 — 自感型 低频透射式涡流传感器 — 互感型
（三）涡流式位移传感器
➢ 涡流旳大小与金属体旳电阻率ρ、磁导率μ、 厚度t以及线圈与金属体旳距离x、线圈旳鼓励 电流强度i,角频率ω等有关。假如固定其中某 些参数，就能由电涡流旳大小测量出另外某些 参数。
➢ 涡流位移传感器在金属体上产生旳涡流，其渗 透深度与传感器线圈旳鼓励电流旳频率有关， 所以涡流位移传感器主要分为高频反射和低频 透射两类，前者应用较广泛。
L
L0
L
N 20S0 2(0
)
L0
1
0
变气隙型自感传感器
当Δδ/δ0<<1时：
L
L0
L
L0 1
0
0
2
0
3
可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0旳体现式，即
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
对上式作线性处理，即忽视高次项后，可得
差动变压器式位移传感器
互感位移传感器常采用差动形式，即两个二次 线圈采用差动接法，故又称为差动变压器式位 移传感器。
➢差动变压器式位移传感器有变隙式、变面积式和 螺管式等。
非电量测量中，应用最多旳是螺管式差动变压器， 它能够测量范围内旳机械位移，并具有测量精度高、 敏捷度高、构造简朴、性能可靠等优点
1. 工作原理与构造
一般气隙旳磁阻远不小于铁芯和衔铁旳磁阻 2 l 0S0 S
则Rm
2 0 s0
L N 2 N 20s0
Rm
2
1. 工作原理与构造
L N 2 N 20s0
自感式传感器
R C L Z
图中，L为线圈的自感，R为折合有功电阻的总电阻，C为
并联寄生电容。 上图的等效线圈阻抗为
j ( R jL) C Z j R jL C
将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得
2 LC 2 jL 1 LC 2 Q R Z 2 2 2 2 LC LC 2 2 2 2 (1 LC ) (1 LC ) Q Q
电感式圆度仪原理图 1-被测工件；2-精密主轴： 3-传感器；4 -工作台
4、电感式传感器测液位
此变面积自感传感器自感L为
N 2 0 N2 L A K A 2d 2d 0 A
变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效 应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望 得到较大的线性范围。 但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度 降低。 灵敏度
N 2 0 dL k0 K dA 2d
电势el，这种现象称之为自感。产生的感应电势称为自感电势。 传感器的结构如下图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组 成。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
衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。
图 变间隙型自感传感器 1—线圈 2—铁心 3—衔铁
根据对电感的定义，线圈中电感量可由下式确定：
• 缺点：
• 灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速 动态测量。 这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统 中被广泛采用。
自感式传感器
一、 工作原理 与结构
M. Faraday 电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化
自感式传感器
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自感式传感器
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
由电感式可知，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
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2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器
，
为磁导率，S为磁路截面积 ，NIS为/l 磁 路总长度。
l
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线圈的电感量
Rm
2 0 s0
为磁路的磁阻
L N 2 N 20S
Rm
2
变磁阻式传感器
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6
结论
只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生 变化，线圈的电感量就会随之变化。
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。
当活动铁芯向 线圈的一个方 向移动时，传 感器两个差动 线圈的阻抗发 生变化，等效 电路如图4-9 所示。
铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
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结果
在Ui的正半周
Uo
VD
VC
Z 2Z0
1
(
1 Z
)2
Ui
2Z0
在Ui的负半周
Uo
VD VC
Z 2Z0
1
(
1 Z
)2
Ui
Z 2Z0
•
L •
差动式自感传U感o 器 采 用2L变0 U压2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，
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第6章电感式传感器
6.1自感式电感传感器
6.1.1工作原理
自感式电感传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，铁芯与衔铁之间留有空气隙δ，衔铁与运动部件相连，如图6.1.1所示。
当衔铁随被测量变化上下移动时，由于间隙δ的变化使磁路的磁阻发生变化，从而引起线圈电感量L的变化。
当传感器与测量电路连接后，可将电感量的变化转化成电压、电流或频率的变化，实现由非电量到电量的转换。
可见，自感式传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。
按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式和螺管式。
图6.1.1自感式传感器原理图
根据电磁感应原理，当线圈的匝数为W,磁路的总磁阻为时，线圈的电感量为
（6.1.1）由于自感式传感器的气隙δ通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，
总磁阻由铁芯、衔铁的磁阻和空气隙的磁阻组成，即
（6.1.2）
式中、、——铁芯和衔铁的磁路长度、横截面积和导磁率；
、A、——空气隙的厚度、导磁横截面积和导磁率。
由于>>，则
（6.1.3）
于是自感量L可表示为
（6.1.4）
由此可知，当线圈匝数W确定后，自感L与气隙导磁截面积A成正比，而与气隙δ成反比。
若保持A不变，则电感L是δ的单值函数，这就是变气隙式自感传感器的工作原理。
变气隙式自感传感器的灵敏度
(6.1.5）
可见，变气隙式自感传感器的输出特性是非线性的，如图6.1.2所示。
(6.1.5）
可见，变气隙式自感传感器的输出特性是非线性的，如图6.1.2所示。
图6.1.2自感式传感器的工作特性
为提高灵敏度，并保证一定的测量范围与线性度，对变气隙式自感式传感器，常取=0.1～
0.5mm，。
工作特性讨论（了解更多）
图6.1.3是保持气隙厚度δ不变，使气隙导磁截面积A随被测量而变，即构成变面积式自感传感器，其自感L与A呈线性关系。
常数(6.1.7)
因此测量范围广，与变气隙式相比较，其灵敏度较低。
图6.1.3变面积式自感传感器原理图
图6.1.4是螺管式自感传感器结构原理图，铁芯在线圈中运动时，总磁阻将发生变化，从而引起自感发生变化。
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。
图6.1.4螺管式自感
传感器结构原理图。