互感型电感传感器
测试技术第5讲--电感式传感器
meyyq@
电感式传感器
螺旋管式自感传感器
双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性， 被用于电感测微计，其测量范围为0—300mm，最小分辨力为 0.5mm。这种传感器的线圈接于电桥，构成两个桥臀、线圈电感 LI、L2随铁芯位移而变化。
对 有 长 差 式 线 ， 沿 向 磁 强 H为 于 限 度 动 的 圈 其 轴 的 场 度 ： 线 长 l： 圈 度 IW l − 2x l + 2x 2x H= − + 2 2 2 2 2 2 2l 4r + (l − 2x) r +x 4r + (l + 2x) R： 圈 平 直 线 的 均 径 I： 圈 平 电 线 的 均 流 N： 圈 数 线 匝 线 的 向 场 布 不 匀 ， 确 理 上 感 推 很困 。 圈 轴 磁 分 是 均 的 精 的 论 电 值 导 难 本 程 作 细 析 课 不 详 分
meyyq@
电感式传感器
变面积式自感传感器
仅改变气隙截面积的自感传感器称为变截面积式自感 传感器。在忽略气隙边缘效应的条件下，电感的变化 由下式计算：
W2µ0 (S + ∆S) W2µ0S W2µ0∆S W2µ0S ∆S ∆S ∆L = L - L0 ≅ − = = ≅ L0 2x 2x 2x 2x S S
U0 =
2
Z
=
2 R0 + jwL0
≈
2
L0
=
2 δ0
（a）交流电桥测量电路 （b）变压器式电桥 图4- 7 自感式传感器测量电路
meyyq@
电感式传感器
自感传感器的测量电路
（2）变压器式交流电桥自感式 ） 传感器测量电路 传感器测量电路 变压器式交流电桥测量电路如图 （b）所示 当负截阻抗为无穷大 ）所示, 桥路输出电压： 时, 桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间位置, 当传感器的衔铁处于中间位置 电桥平衡。 有Uo=0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时, 当传感器衔铁上移时 即 Z1=Z+∆Z, Z2=Z-∆Z， ， 当传感器衔铁下移时, 当传感器衔铁下移时 则Z1=Z∆Z, Z2=Z+∆Z, 从上面两式可知, 从上面两式可知 衔铁上下移动 相同距离时, 相同距离时 输出电压的大小相 但方向相反, 由于是交流电压, 等, 但方向相反 由于是交流电压 输出指示无法判断位移方向, 必 输出指示无法判断位移方向 须配合相敏检波电路来解决。 须配合相敏检波电路来解决。
互感式传感器测量原理
互感式传感器测量原理互感式传感器是一种常用于测量和监测物理量的传感器。
它利用互感现象来实现测量原理。
互感现象是指当两个线圈靠近时，其中一个线圈的电流变化会导致另一个线圈中的电流发生变化。
互感式传感器的基本结构由两个线圈组成，一个称为主线圈，另一个称为辅助线圈。
主线圈中通入待测物理量所产生的电流，而辅助线圈则用来测量这个电流的变化。
主线圈和辅助线圈之间通过磁场相互耦合，当主线圈中的电流发生变化时，会在辅助线圈中感应出电动势。
互感式传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。
根据法拉第电磁感应定律，当一个线圈中的磁通量发生变化时，会在另一个线圈中感应出电动势。
互感式传感器利用这一原理，通过测量辅助线圈中感应出的电动势来间接测量主线圈中的电流变化。
互感式传感器的测量原理可以通过以下步骤来解释。
首先，主线圈中通过待测物理量产生的电流会产生一个磁场。
这个磁场会传导到辅助线圈中，并在辅助线圈中感应出电动势。
然后，通过测量辅助线圈中的电动势，可以得到主线圈中电流的变化情况。
根据测得的电动势和已知的线圈参数，可以计算出主线圈中的电流值。
互感式传感器的测量原理具有一定的优势。
首先，它具有较高的灵敏度和精度，能够实现对微小电流变化的测量。
其次，互感式传感器的结构简单、体积小，适用于各种应用场景。
此外，它具有较好的线性特性和频率响应特性，能够满足不同领域的测量需求。
互感式传感器在许多领域都得到了广泛的应用。
例如，在工业自动化领域，互感式传感器可以用来测量电流、位移、压力等物理量。
在医疗领域，它可以用来监测心电图信号、血压等生理参数。
在环境监测领域，互感式传感器可以用来监测温度、湿度、光照强度等环境参数。
互感式传感器是一种基于互感现象的传感器，利用互感现象来实现对物理量的测量和监测。
它通过测量辅助线圈中感应出的电动势来间接测量主线圈中的电流变化。
互感式传感器具有灵敏度高、精度高、结构简单、体积小等优点，广泛应用于各个领域。
互感型电流传感器工作原理
互感型电流传感器工作原理
互感型电流传感器是一种常见的电力测量仪器，它主要用于测量高电
压电流，例如变电站中的电力传输和分配系统中的电流。
互感型电流
传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即当电流通过一个导
体时，会在周围产生一个磁场。
如果将另一个导体放在这个磁场中，
那么在第二个导体中就会感应出电动势，从而产生电流。
互感型电流传感器的结构比较简单，通常由一个铁芯和一些线圈组成。
铁芯是一个环形的磁性材料，线圈则绕在铁芯上。
当电流通过被测导
线时，它会产生一个磁场，这个磁场会穿过铁芯并感应出线圈中的电
动势。
根据法拉第电磁感应定律，电动势的大小与电流的大小成正比。
因此，通过测量线圈中的电动势，就可以确定电流的大小。
互感型电流传感器的优点是它们可以测量高电压电流，而且不需要直
接接触被测电线。
这使得它们非常适合用于高压电力系统中，因为这
些系统中的电流往往非常大，而且非常危险。
此外，互感型电流传感
器还可以提供隔离，从而保护测量设备和操作人员免受电击的危险。
总之，互感型电流传感器是一种非常重要的电力测量仪器，它们的工
作原理基于法拉第电磁感应定律。
通过测量线圈中的电动势，可以确
定电流的大小，从而实现对高压电力系统中电流的测量和监测。
电感式传感器
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（4-1-6）
Z1 Z2 R1 R2
(Z1 Z2 ) 2R
2Z
当ωL＞＞R’时，上式可近似为：
.
.
U0
U
L
2L
（4-1-7）
由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。
图4.2.2 差动变压器的等效电路
1-一次绕组 2、3 二次绕组 4-衔铁
.
由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：
.
I1
U1
R1 jL1
二次绕组的感应动势为：
.
E 21
jM1
.
I1
.
；E 22
jM 2
.
I1
.
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
.
E2
j(M1
M2)
R1
U1 jL1
· E0
0
x
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图4.2.3 差动变压器输出特性
I. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。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。
互感式压力传感器工作原理
互感式压力传感器工作原理
互感式压力传感器通常由一对线圈组成，其中一个被称为激励线圈，另一个被称为测量线圈。
激励线圈通常连接到一个交流电源，而测量线圈则作为一个感应器。
当激励线圈通过交流电流时，会产生一个变化的磁场。
当被测对象施加压力时，它会改变感应线圈中的电感。
这是因为外部压力会引起感应线圈附近的磁场发生变化，从而改变了感应线圈的磁通量。
由于电感和磁通量之间存在线性关系，所以外部压力的变化会导致感应线圈电感的变化。
这个变化可以通过测量线圈产生的电压来检测。
测量线圈位于感应线圈附近，当感应线圈中的电感发生变化时，测量线圈中也会感应出一个电压。
这个电压与感应线圈中的电感变化成正比。
最后，测量线圈中的电压被放大并处理以产生一个可供读取的压力信号。
这个信号可以通过一些计算或者数值处理技术来转换成实际的压力值。
总而言之，互感式压力传感器的工作原理是通过测量线圈中感应到的电感变化来检测外部压力变化，并将其转换为可供读取的压力信号。
第六章 电感式传感器
0
3
灵敏度：
L2
L0
0
1
0
0
2
0
3
K
L / L0
1 2
0
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
实际上由于线圈内部的磁场是不均匀的，电感量的增 量ΔL与△x存在着一定的非线性。
为提高灵敏度和线性度，螺线管型自感式传感器常 采用差动结构。
6.1 自感式传感器
广西大学电气工程学院
双螺管型差动型
L1
L2
u
x
特性曲线
等效电路
将传感器两线圈接于电桥 的相邻桥臂时，其输出灵 敏度可提高一倍，并改善 了非线性特性，还能减少 干扰影响。
• 对电源采取稳压、稳频、屏蔽、加滤波电容等 措施，可减弱或消除电源的影响。
• 铁芯磁感应强度的工作点一定要选在磁化曲线 的线性段，以免在电源电压波动时，铁芯磁感 应强度进入饱和区而使导磁率发生很大变动。
6.1 自感式传感器
零点残余电压及其补偿
在电桥预平衡时，无法实 现平衡，最后总要存在着 某个输出值ΔU0，这称为 零点残余电压
应在设计制造时采取措施， 保证两电感线圈的对称。
减少电源中的谐波成分 在测量电桥中接入可调电
位器 采用相敏整流电路
广西大学电气工程学院
理想状态
ΔU0
实际状态
uo
理想状态
实际状态
第六章 电感式传感器
广西大学电气工程学院
差动变压器电感式传感器(互感式) 教学PPT课件
阅读并分析：P70
（1）零点残余电压是什么意思？ （2）零点残余电压产生的原因？ （3）零点参与电压的消除方法？
4.2.2 螺旋管式差动变压器
1、结构
阅读并回答：P67
（1）结构组成中包含了什么？ （2）一次线圈和二次线圈是如何布局的？
1-初级线圈 2、3-次级线圈 4-铁芯
2、等效电路
阅读并回答：P71
阅读并回答：P72-P73
（1）两个二次线圈的输出信号做了什么处理？ （2）当两个二次线圈的同名端a,c都为+极性 时，电容C1上的极性哪个为正？ （3）当两个二次线圈的同名端a,c都为-极性 时，电容C1上的极性哪个为正？
从电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性
如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流
方向总是从6到8， 故整流电路的输出电压为
Uo U24 U68
➢ 当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以Uo=0； ➢ 当衔铁在零位以上时，因为U24 > U68 ，则Uo>0； ➢ 当衔铁在零位以下时， 则有U24< U68，则Uo<0。 Uo的正负表示衔铁位移的方向。
判断位移的大小和方向 ➢ 相敏检波电路
差动变压器的分类
阅读并回答：P67 （1）差压变压器的结构有几种什么形式？ （2）实际应用最多的是哪一种？
差动变压器的应用？
4.2.1 变隙式差动变压器
1、结构
阅读并回答：P67
（1）结构组成中包含了什么？ （2）一次线圈是如何连接的？ 二次线圈是如何连接的？
【提问】差动变压器与差动式变磁阻传感器区别？
（1）衔铁上移时，互感系数M1和M2如何变化？ （2）衔铁上移时，二次绕组1和二次绕组2的感应电动势如何变化？
传感器原理及其应用_第3章_电感式传感器
2
P
r
x
为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为：
B
x
2 2 N NBS 0 N r L0 I I l
IN H l 则空心螺管线圈的电感为：
第3章 电感式传感器
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
如果铁芯长度 l e 小于线圈长度l，则线圈电感为
L
0N [lr ( r 1)l e re ]
2 2 2
l2
第3章 电感式传感器 当l e增加 l e 时，线圈电感增大ΔL，则
L L
电感变化量为
0N [lr ( r 1)(l e l e )re ]
0 N 2 S N2 N2 线圈自感L为： L 2 Rm 2 0 S
分类：
变气隙厚度δ的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器；
变铁芯磁导率μ的电感式传感器；
第3章 电感式传感器
自感式电感传感器常见的形式
变气隙式
变截面式
螺线管式
1—线圈coil ；2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core
，上式展开成泰勒级数： 1
非线性误差为
0
2
0
100%
0
第3章 电感式传感器
①差动式自感传感器的灵敏度 比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失 真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的 γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵 消温度变化、电源波动、外界 干扰、电磁吸力等因素对传感 器的影响
第4章 电感式传感器
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。
电感式传感器
2
3
......
L0 0 0 0
忽略高次项：
L 1
L 0
0
K
L
L 0
0
衔铁上移 , 0
L 2
L2
L 0
AN 2 0
2
0
0
AN
2
2
0
L0 0
当 1 时， 0
2
3
L2 L0
0
0
0
......
忽略高次项： L2
L0
0
4.1.3 差动式自感传感器
变气隙型差动式自感传感器
衔铁下移：
AN 2
L 0
1 2( )
0
AN 2
L 0
2 2( ) 0
L 1
L 1
0
0
0
2
0
3
......
L 2
L 1
0
0
0
2
0
3
......
L
L 2
L 1
2L
0 0
0
3
0
5
......
L L0
L L
的特性曲线。说明：电桥 25
输出电压的大小与衔铁的 0
位移量Δδ有关，相位与 25
衔铁的移动方向有关。若 50
设衔铁向上移动Δδ为负，
75
则U0为负；衔铁向下移 动Δδ为正，则U0为正，
100
相位差180°。
Ⅰ
Ⅱ
1
2
4
-Δ lδ Δ lδ 3
1 2 3 4 lδ/mm
2、变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗 I
第三章电感式传感器n
如何将电感值随外作用的变化转换成可用 的电信号，这是本节研究的内容。
差动变压器的三种转换电路 1.
L0
0
( 1
1
)
0
按级数展开得
L2 L0
同样忽略高次项得
0
[1
(
0
)
(
0
)2
...]
L2
L0
0
可见，在不考虑非线性误差的情况下气隙增加和减小时， 电感的变化量相同的。
即
L
L0
0
此时，传感器的灵敏度为
非线性误差为
L
K0
L0
1
0
0
气隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。
变压器式交流电桥测量电路
如图所示, 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
U0
Z1 U Z1 Z2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z 电桥平衡。
U 0 =0,
再设 I1 I1e jt
则 dI1 / dt jI1e jt E jMI1
又因为 I1 U /(R1 jL1)
输出电压：
.
.
.
U 0 E jM U/(R1 j L1)
输出电压有效值
互感式传感器的工作原理
互感式传感器的工作原理互感式传感器（Inductive sensors）是一种常见的非接触式传感器，用于检测各种金属物体的存在、位置或运动。
它们广泛应用于工业自动化、机械制造、机器人技术等领域。
互感式传感器的工作原理基于磁感应现象。
根据法拉第电磁感应定律，当磁场穿过一个金属物体时，会在物体中产生感应电流。
互感式传感器利用这一原理，在传感头附近创建一个较强的高频磁场，当金属物体靠近传感头时，由于感应电流的产生，传感器会检测到这个变化而产生响应。
传感头通常由线圈和铁芯构成。
线圈通过交流信号产生高频磁场，铁芯用于增加磁场的密度和传导性能。
传感头的线圈通过一个电感元件和一个高频振荡电路相连，形成一个串联谐振电路。
这个谐振电路的共振频率与感测头附近的金属物体的性质和距离有关。
当金属物体靠近传感头时，金属物体的存在改变了谐振电路的特性，导致线圈感应到的电压和电流的变化。
互感式传感器会测量这些变化，并将其转换为可识别的信号。
传感器可以通过本地显示或连接到计算机或PLC等设备上，实时显示或处理输入信号。
互感式传感器的性能受到许多因素的影响，包括金属物体的材料、形状、大小、导电性能等。
金属物体的电导率越高，感应电流的强度就越大。
由于互感式传感器只能探测金属物体，因此对于非金属物体的检测通常需要其他类型的传感器。
互感式传感器有许多优点，使其在工业应用中被广泛采用。
首先，它们具有非接触式检测的特点，因此可以避免接触式传感器由于磨损或破坏而导致的故障。
其次，互感式传感器具有快速响应的特点，可以在微秒甚至更短的时间内检测到目标物体的变化。
此外，互感式传感器具有较高的精度和重复性，并且在恶劣的环境条件下也能正常工作。
总之，互感式传感器是一种基于磁感应原理的非接触式传感器。
通过创建高频磁场并检测感应电流的变化，互感式传感器可以用于检测金属物体的存在、位置或运动。
这些传感器在工业自动化和机器人技术中发挥着重要作用，提高了生产效率和产品质量。
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
互感式传感器
1.电涡流效应和电涡流式传感器
金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋 涡那样在导体内转 圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡 流效应。 应用：若在金属圆柱体上绕一线圈，当线圈中通入交变电流时，金属圆柱体便 处在交变磁场中。设想金属圆柱体由一系列不同半径的圆柱形薄壳所构成，每层 金属薄壳就是一个闭合回路，在交变磁场中有感应电流流通。这些感应电流在金 属圆柱体内汇集出强大的涡流，释放出大量的焦耳热，可使金属自身熔化。这就 是 高频感应炉 冶炼金属的原理 形成涡流必须具备下列两个条件： 1.存在交变磁场； 2. 导电体处于交变磁场中。
H 1
传感器激励线圈
传感器激励电流
I1
线圈
U 1
Z=F(ρ, μ, r, fI2
涡流式传感器的结构示意图
传感器激励电流
I1
线圈
框架 框架衬套
U 1
支架
涡流磁场
I2
插头
电缆
互感式传感器
1.工作原理与结构 互感式传感器是将被测量的物理量如力、位移等转换成互感系数的一种传感 器。它是利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的互感（M）变化来检测非电量的 机电转换装置。其基本结构与原理与常用变压器类似，故亦称其为变压器式 传感器。
被测非电量
电磁 感应
互感系数M
测量 电路
U、 I 、 f
按照电涡流在导体内贯穿的情况，可以把电涡流传感器分为高频反射式和低频 透射式两类。其工作原理是相似的。
2. 工作原理
将一个通以正弦交变电流I1，频率为f，外半径为ras的扁平线圈置于金属导体附 近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1，使金属导体中感应电涡流I2， I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2，如图所示。 根据能磁定律，H2的反作用必然削弱线圈 的磁场H1。由于磁场H2的作用，涡流要消 耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗 发生变化。线圈阻抗的变化取决于被测金属 导体的电涡流效应。
第3章 电感式传感器
应用示例
图3.11为测气体压力的传感器原理图。
附图1
图3.12为压差传感器的原理结构示意图。
3 4
附图1为位移传感器的外形图。
2 6 7 p
5
附图2为压力传感器的原理图。
1
附图2
1-弹簧管 2-螺钉 3、7-铁芯 4、6-线圈 5-衔铁
第3 章 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。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为 自感式和互感式两大类。
电感式传感器
自感型
闭磁路型 开磁路型 差动变压器
互感型
涡流式
本章内容：
3.1 自感式传感 器互感式传感器 3.2
IW Rm
I----线圈中流过的电流；
φ----穿过线圈的磁通，其值为：
(3.2)
其中磁路磁阻Rm按下式计算：
li 2l0 Rm 0 S0 i 1 i S i
n
(3.3)
式中：
l i、S i 、 µ i ----分别为铁芯和衔铁磁路上第 i 段的长度、截面积
及磁导率；
l 0、S 0 、 µ 0 ----分别为磁路上空气隙的长度、等效截面积及空气
2 4 3
骨架；4是匝数为W1 的初级绕组；5是
匝数为W2a的次级绕组；6是匝数为W2b 的次级绕组。
6
图 3.13 螺线管式互感传感器结构图
工作原理：
互感传感器中两个次级线圈反向串接，其等效电路如图所示。 当初级绕组加以激励电压时，在 两个次级绕组中便会产生感应电动势 E2a和E2b。当活动衔铁处于中心位置 时，两互感系数M1=M2。因两个次级
传感器感测技术第2章
Z1 Z3= R
& = D Z1 + D Z 2 U & Uo 2 ( Z 1+ Z 2 ) & U o ( DL1 + DL2 ) = DL = 2
& U
Z2
Dd
Z4= R
d0
L0
& Uo
2. 电感式传感器
b、变压器式交流电桥测量电路（无法判断方向） 输出电压为：
& = U
2. 电感式传感器
涡流磁场使得原线圈等效阻抗发生变化。变化的
程度与间距δ相关。
影响阻抗的相关因素:间距，电阻率，磁导率，
激磁角频率等。
用于位移、振动测量；材质鉴别或探伤。
2. 电感式传感器
五、涡流式传感器的特性
1、电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随距离的变化而变化，且呈非线性关
系，随距离的增加而减小。 2、被测导体对传感器灵敏度的影响 被测导体的电阻率和相对磁导率越小，灵敏度越 高，且被测导体的形状和尺寸大小对灵敏度也有影响。 一般要求被测导体的厚度大于两倍的涡流穿透 深度。
属导体置于变化的磁场中或切割磁力线运动时，导 体内产生呈涡旋状的感应电流的现象。 3、按电涡流在导体内的贯穿情况划分： 高频反射式涡流式传感器 低频透射式涡流式传感器
2. 电感式传感器
4、基本结构和工作原理 1）基本结构 主要由探头和检测 电路构成。 探头由线圈和骨架组成。
检测 电路
骨架 线圈
金属板
L I =
式中， W——线圈匝数；
L——自感。
W f
根据磁路欧姆定理有： 其中，Fm ——磁动势；
Rm ——磁路总磁阻。
f =
第3章 电感式传感器
第3章 电感式传感器
Rm RF Rδ
l1 l 2 2 2 1S1 2 S2 0 S 0 S
ll —— 磁通通过铁芯的长度(m)； Sl —— 铁芯横截面积(m2)；
1 —— 铁芯材料的导磁率(H／m)
l2 —— 磁通通过衔铁的长度(m)；
S2 —— 衔铁横截面积(m2)；
1. 结构和工作原理 2. 输出特性
3. 测量电路
17
第3章 电感式传感器
1.结构和工作原理
变气隙厚度式差动结构
变面积式差动结构
螺管式差动结构
以变气隙厚度式差动电感传感器为例： 初始状态时，衔铁位于中间位臵，两边空隙相等。因此，两只电感线 圈的电感量相等，电桥输出为0，即电桥处于平衡状态。 当衔铁偏离中间位臵向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两 只电感线圈的电感量一增一减（变化量相等），电桥不平衡。电桥输出电 压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。 向下、向上移动同样位移，输出电压幅值相等相位相差180º 。因此，只要能 测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。
灵敏度
L L0 KL x a
13
第3章 电感式传感器
五、螺管插铁型电感传感器
结构：一个螺管线圈内套入一个活动 的柱型衔铁，就构成了螺管型电感传感器。 （开磁路） 工作原理：螺管型电感传感器是基于 线圈激励的磁通路径因活动的柱型衔铁的 插入深度不同，其磁阻发生变化，从而使 线圈电感量产生了改变。在一定范围内， 线圈电感量与衔铁位移量（衔铁插入深度） 有对应关系。
2
3.2 差动变压器式传感器（互感）
第3章 电感式传感器
3.1 电感式传感器
互感式电感传感器的概念
互感式电感传感器的概念互感式电感传感器是一种常用的电感传感器，它通过测量电感元件中的互感现象来检测物理量的变化。
互感是指当一个线圈中的电流发生变化时，会在另一个靠近的线圈中感应出电动势。
互感式电感传感器由主要由线圈、铁芯和信号处理电路组成。
线圈是互感式电感传感器的核心部件，它是由绕制在绝缘材料上的导线组成的。
铁芯是互感式电感传感器中的辅助部件，它用来增强线圈的磁场。
信号处理电路负责将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并进行信号放大和滤波等处理。
互感式电感传感器的工作原理是基于电磁感应定律的。
当线圈中的电流发生变化时，会产生一个变化的磁场。
这个变化的磁场会穿过靠近的线圈，导致靠近线圈中的电流发生变化，从而产生电动势。
根据电磁感应定律，这个电动势的大小与线圈中的电流变化率成正比。
互感式电感传感器常用于测量非电气量，如温度、压力、位移等。
以温度为例，当被测温度发生变化时，互感式电感传感器中的线圈会受到温度变化的影响，导致线圈中的电流发生变化。
这个电流变化会产生一个变化的磁场，从而在靠近线圈的另一个线圈中感应出电动势。
通过测量这个电动势的大小，就可以得到被测温度的值。
互感式电感传感器具有很多优点。
首先，它的结构简单、体积小、重量轻，便于安装和使用。
其次，互感式电感传感器的输出信号是非接触式的，不受测试介质的性质和状态的限制，具有良好的稳定性和可靠性。
此外，互感式电感传感器对外界干扰的抗干扰能力较强，可靠性高。
最后，互感式电感传感器的响应速度较快，可以实现快速准确的测量。
然而，互感式电感传感器也存在一些局限性。
首先，互感式电感传感器通常需要外部电源供电，为了保证其测量精度，需要对电源进行稳定的调整。
其次，互感式电感传感器的输出信号是模拟信号，需要经过后续的模数转换和信号处理才能被接收和分析。
此外，互感式电感传感器的测量范围通常较窄，对被测量物理量的线性度要求较高。
总的来说，互感式电感传感器是一种常用的电感传感器，具有结构简单、体积小、重量轻、稳定可靠和响应速度快等优点。
互感式电感传感器——差动变压器性能测试一、实验目的1、了解差动
互感式电感传感器——差动变压器性能测试一、实验目的：1、了解差动变压器原理及工作情况；2、说明如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿；3、了解差动变压器测量系统的组成和标定方法；4、了解差动变压器的实际应用。
二、实验内容：1、差动变压器的性能实验；2、差动变压器零残余电压的补偿实验；3、差动变压器的标定实验；4、差动变压器的应用实验（振幅测量、电子称）（一）差动变压器的性能实验实验单元及附件：音频振荡器测微头示波器主、副电源差动变压器振动平台。
旋钮的初始位置：音频振荡器4KHz~8KHz之间，双踪示波器第一通道灵敏度500mv/div，第二通道灵敏度10mv/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭,示波器第二通道为悬浮工作状态。
实验原理：差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。
初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边，差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。
其原理及输出特性见图4-1。
实验步骤：（1）根据图4-2接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双踪示波器连接起来，组成一个测量线路。
开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入和输出端，调节差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。
（2）用手提压差动变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则改变两个次级线圈的串接端。
图4-1 图4-2（3）转动测微头使测微头与振动平台吸合，再向上转动测微头5mm，使振动平台往上位移。
（4）向下旋钮测微头，使振动平台产生位移。
每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度S。
S=△V/△X（式中△V为电压变化，△X为相应振动平台的位移变化），作出V-X关系曲线。
读数过程中应注意初、次级波形的相应关系。
思考题：（1）根据实验结果，指出线性范围。
互感传感器的工作原理
互感传感器的工作原理互感传感器是一种常见的传感器类型，广泛应用于各种测量和控制系统中。
它的工作原理是基于互感效应，通过测量电路中的电感变化来获取所需的物理量信息。
在互感传感器中，主要包括两个线圈，一个是固定线圈，也称为一次线圈，另一个是可移动线圈，也称为二次线圈。
这两个线圈之间通过磁场相互耦合，当通过一次线圈的电流发生变化时，会在二次线圈中产生感应电动势。
互感传感器的工作原理可以通过以下步骤来解释：1. 交流电源供电：互感传感器通常使用交流电源供电，以产生变化的磁场。
2. 一次线圈产生磁场：交流电源通过一次线圈，产生一个变化的磁场。
3. 磁场耦合到二次线圈：一次线圈产生的磁场会通过空气传导或磁性材料传导到二次线圈中。
4. 二次线圈感应电动势：磁场的变化会在二次线圈中感应出电动势，其大小与磁场变化的速率成正比。
5. 输出电信号：感应出的电动势经过放大和处理后，转化为可供测量和控制系统使用的输出电信号。
互感传感器的工作原理可以用于测量很多不同的物理量，例如电流、电压、位移、温度等。
在不同的应用中，互感传感器的结构和参数会有所不同，但基本的工作原理是相同的。
互感传感器的优点是具有较高的精度、灵敏度和可靠性。
由于其工作原理基于互感效应，因此在测量过程中不需要直接接触被测量对象，避免了物理上的接触和干扰。
同时，互感传感器也具有较宽的测量范围和频率响应，能够满足不同应用的需求。
然而，互感传感器也存在一些局限性。
首先，它对外部磁场的干扰比较敏感，需要采取一些屏蔽和抗干扰措施。
其次，互感传感器的线圈之间可能存在一定的耦合和漏电问题，需要进行合理的设计和校准。
此外，在一些特殊应用中，互感传感器的温度、湿度等环境因素也会对其性能产生影响。
互感传感器是一种基于互感效应的传感器，通过测量电路中的电感变化来获取物理量信息。
它具有精度高、灵敏度高和可靠性高等优点，广泛应用于各种测量和控制系统中。
然而，它也存在一些局限性，需要在具体应用中进行合理设计和校准。
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5.2 位移传感器
一、电感式位移传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转 换为电感量的变化。 1、自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器
2、互感型电感传感器
1、自感型电感式传感器
1）可变磁阻式电感传感器
自感L可表示为：
灵敏度：
可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈 型、双螺管线圈差动型。
当给滑尺的正余弦绕组同时加励磁电压，则在定尺上感应的总电动势为：
e eA eB KU A cos KU B sin
五、光电编码器
这种码盘有两个通道与B（即两组透光和不透光部分），其相 位差90°，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号送 入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。
电容传感器为电桥的一部分。由电容变化转换为电桥的电压输 出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。
2）谐振电路
电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过 电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生 变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为 电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。
3）运算放大器电路
前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化 量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的 限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关 系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电 容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。 由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为
如果将δ固定，变化 空气隙导磁截面积 S0时，自感L与S0 呈线性关系
双螺管线圈差动型，较之单 螺管线圈型有较高灵敏度及 线性，被用于电感测微计上， 其测量范围为0～300μm， 最小分辨力为0.5μm。
2）电涡流式电感传感器
高频反射式涡流传感器：高频(>1MHz)激励电流，产生的高频磁场作 用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。 若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈 自感的变化。
其灵敏度为：
dC 0 r 2 K 常数 da 2
3、介质变化型电容式传感器的变换原理
这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位 (图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改 变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。
4、电容式传感器的测量电路
1）电桥电路
温度传感器
压力传感器
角位移传感器
扭矩传感器
位移传感器
按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。纤式位移传感器
激光位移传感器
超声波位移传感器传感器
二、传感器的特性
1、静态响应特性
当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。 包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。
5.5、力、压力和扭矩传感器
一、工作原理
首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移 或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换 成电信号输出。
E P EA
R G R l , G 1 2 l
二、弹性元件
梁式弹性元件
受径向载荷
铰链弯曲式弹性元件
应变式力传感器的测量范围很大，可以从5N～10MN以上， 测量精度可以达到0.03%～2%。
360 / m
0
360 n n m
5.3 速度传感器
一、直流测速发电机
用于自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。分为永 磁式和电磁式，常用的是永磁式。
测速发电机的输出电压：
测速发电机的输出特性：
二、码盘式转速转感器
60 N n Zt
5.4加速度传感器
一、电阻应变式
非线性度
迟滞
灵敏度
2、 动态特性 动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用 系统的传递函数、频率响应来描述。
1）时域指标
•调整时间 •峰值时间 •最大超调量
•振荡次数
•延迟时间 •上升时间
2）频域指标 可以用幅频特性和相频特性描述
两种典型的输入响应：
二阶系统的脉冲输入和响应
二阶系统的阶跃输入和响应
电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应 变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲， 按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情 况下即可算出被测加速度。
二、压电式
将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产 生惯性力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产 生的电荷与加速度成正比。
0 s dC 2 d
传感器的灵敏度为：
K
s dC C 02 d
2、面积变化型电容式传感器
动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积 对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：
0 ar 2 C 2
电容量为：
ar 2 S 2
5.6 位置传感器
一、分类
位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离 的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。 位置传感器分为接触式和非接触式两种。
二、接触式位置传感器
所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触信 息的一种传感器。
三、非接触式位置传感器
而非接触式（接近式）传感器是用来判别在某一范围内 是否有某一物体的一种传感器。
二、电容式位移传感器
电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变 化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信 号输出。
0 s C
式中： ε0——真空的介电常数； s ——极板的遮盖面积； ε——极板间相对介电系数； δ——两平行极板间的距离。
1、极距变化型电容式传感器
如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板 在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：
三、光栅数字传感器
1、工作原理
光栅是在透明的玻璃上，均匀 地刻出许多明暗相间的条纹， 或在金属镜面上均匀地刻化出 许多间隔相等的条纹，通常线 条和间隙和宽度是相等的。 测量装置中由标尺光栅和指示 光栅组成，两者的光刻密度相 同，但体长相差很多。
把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线 相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条 较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹 几乎成垂直的方向排列。
第五章 传感器与检测系统
本章的学习内容：
5.1 传感器的分类及特性 5.2 位移传感器 5.3 速度传感器 5.4 加速度传感器 5.5 力、压力和扭矩传感器 5.6 位置传感器
5.1传感器的分类及特性
一、机械量传感器分类
传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系 的电量输出的器件或装置。
按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传 感、力传感器、温度传感器等。
B ab
bc W sin( / 2)
2、测量系统
光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，如图中 的是四块光电池，光电池产生的信号，相位彼此差90º ，对这些 信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。
四、感应同步器
感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有 直线式和圆盘式两类。
超声波传感器结构
CCD图像传感器
低频透射式涡流传感器：发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属 板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后， 所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈ω2产生感应电动势e2， 且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。
2、互感型电感传感器
差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。 当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的 位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移 时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，e1<e2，ey<0。活动衔铁 的位置往复变化，其输出电压也随之变化。