电感式传感器WL
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转换电路
调频电路 调相电路
一、调幅电路 1、交流电桥
空载时，交流电桥的开路输出电压为：
接入负载时，交流电桥的输出电压为：
电阻平衡臂电桥
忽略直流电阻的变化，并且 电感线圈的品质因数设计的很大时：
变压器电桥
以上两种情况的空载输出完全一样。 但后者使用元件少，输出阻抗小，广泛使用。
2、谐振式调幅电路
差动式气隙型自感传感器的灵敏度
与单极式相比，灵敏度提高了一倍，非线性大大 减小。
3.1.3 等效电路
从电路角度看，自感式传感器并非纯电感。 有功电阻Rq：线圈的铜损耗＋铁芯的涡流及磁滞损耗。 无功阻抗：电感＋绕组间的分布电容C。
电感线圈等效电路
3.1.4 转换电路
自感式传感器把被测量的变化转变为电感量的变化。 为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路 进行放大和处理，需要用转换电路把电感变化转换 成电压/电流的变化（幅值、频率、相位的变化）。 调幅电路
径向振动测量
轴心轨迹测量
转速测量
表面裂缝检测
案例： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
案例： 零件计数
吸力）；
⑤工艺要求不高，加工容易。
图3-11
测气体压力的电感传感器
P2
图3-12
压差传感器
3.2
变压器式传感器
3.2.1 工作原理
将被测量转换为线圈间互感系数的变化。多采用差动形式。
A、B为山字形固定铁心 两个线圈，W1a及W1b为一次 绕组，W2a及W2b为二次绕组
C为衔铁。
气隙型差分变压器式传感器
截面积型差动变压器式传感器
3.2.2 差动变压器式传感器等效电路
各r为线圈的直流电阻
幅频、相频特性曲线
灵敏度为：
3.2.3 差分变压器式传感器的测量电路
差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，直接 用电压表测量时存在下述问题： ①总有零点残余电压输出 → 零位附近的小位移 测量困难。 ②交流电压表无法判别衔铁移动方向。 常采用差动相敏检波电路、差动整流电路来解决。
3.2.5 变压器式传感器的应用举例
差动变压器式位移传感器
1测头；2轴套；3测杆；4衔铁； 5线圈架；6弹簧；8屏蔽筒； 9圆片弹簧；10防尘罩
差动变压器式测力装置
弹性元件是簿壁圆筒，在 外力F 作用下，变形使差 动变压器的铁心产生微位 移，变压器次级产生相应 电信号。 为了减小横向力或偏心力 的影响，传感器的高径比 应较小。
截面型自感传感器是线性的； 气隙型自感传感器是非线性的。
变气隙型自感传感器的灵敏度
从提高灵敏度的角度看，初始空气隙 l0 应尽量小→测 量范围变小，灵敏度的非线性也将增加。 如采用增大气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提 高灵敏度，则传感器的几何尺寸和重量必将增大。 以上矛盾在设计传感器时应适当考虑。
Δφ U0 U0
3.1.5
零点残余电压
在电桥预平衡时，无法真正实现平衡，最后总要存 在着某个输出值Δ U0
图3-10
U0-l 特性
3.1.6
自感式传感器的特点以及应用
①灵敏度比较好，输出信号比较大,信噪比较好；
②测量范围比较小，适用于测量较小位移；
③存在非线性；
④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器（电磁
差动相敏检波电路
差动整流电路
3.2.4
零点残余电压的补偿
差动变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压 的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际 特性不同于理想特性。
采用对称度很高的磁路线圈来减小零点残余电压在设 计和工艺上是有困难的，可在电路上采取补偿措施， 这是最简单有效的方法。
零点残余电压补偿电路
3.3.2
转换电路
涡流传感器把被测量的变化转换成传感器线圈的品质 因数Q、等效阻抗Z 和等效电感L的变化。转换电路的 任务是把这些参数转换为电压或电流输出。 利用阻抗Z 的转换电路一般用电桥桥路，它属于调幅 电路。 利用电感L的转换电路一般用谐振电路，可分为调幅 电路和调频电路。
一、电桥电路
图3-28
0
二、调频电路
传感器电感L的变化将引起输出电压频率f 的变化。 把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路。 当L变化时，振荡频率随之变化，根据的f 大小即可测 出被测量值。
图3-8
调频电路
线性度较差，只有f 较大时才能达到较高 精度。
三、调相电路
传感器电感L的变化将引起输出电压相位φ的变化。 调相电桥电路，一臂为传感器L，一臂为固定电阻R。设计 时使电感线圈具有高品质因数，忽略其损耗电阻，则电感 线圈上压降UL与固定电阻上压降UR互相垂直，当电感L变化 时，输出电压U0的幅值不变，相位角φ 随之变化。
3.1 自感式传感器 3.1.1 工作原理
衔铁
线圈
固定铁心
电感与线圈匝数W 的平方成正比；与空气隙有效截 面积S0成正比；与空气隙长度l0所反比。
W 0 S0 电感L 2l0
2
图3-2
截面型自感传感器
图3-3
差动自感传感器
3.1.2
线性度
灵敏度与线性度
W 0 S0 电感L 2l0
2
2膜盒； 5差分变压器； 6衔铁
图3-25 微压传感器
图3-26 加速度传感器
案例：板厚测量
~
案例：张力测量
3.3
3.3.1
涡流式传感器
工作原理
当金属板置于变化磁场中或在磁场中运动时，金属板中产生 感应电流，这种电流在金属板体内是闭合的，称为涡流(Eddy Current)。
L
Z
Q
图3-27 涡流式传感器原理图
涡流式传感器电桥电路
二、谐振调幅电路
图3-29
谐振调幅电路
图3-30 谐振调幅电路特性
三、谐振调频电路
图3-31
调频电路原理图
3.3.3 涡流式传感器的特点及应用
涡流式传感器的特点是结构简单、易于进行非接触的连续 测量，灵敏度较高，适用性强。
图3-32
低频透射涡流测厚仪原理
图3-33
不同频率下的e=f(h)曲线
若x一定，变化或ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实现材质鉴别或无损探伤。
集肤效应（趋肤效应）
涡流在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只 集中在金属导体的表面。 电涡流在金属导体内的渗透深度为：
h 5030 f
h渗透深度，cm； ρ金属导体的电阻率，Ω·cm； μ相对磁导率； f 激励源频率，Hz
频率f 越高，电涡流的渗透深度h越浅，集肤效应越严重。 故涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式。
调频电路 调相电路
一、调幅电路 1、交流电桥
空载时，交流电桥的开路输出电压为：
接入负载时，交流电桥的输出电压为：
电阻平衡臂电桥
忽略直流电阻的变化，并且 电感线圈的品质因数设计的很大时：
变压器电桥
以上两种情况的空载输出完全一样。 但后者使用元件少，输出阻抗小，广泛使用。
2、谐振式调幅电路
差动式气隙型自感传感器的灵敏度
与单极式相比，灵敏度提高了一倍，非线性大大 减小。
3.1.3 等效电路
从电路角度看，自感式传感器并非纯电感。 有功电阻Rq：线圈的铜损耗＋铁芯的涡流及磁滞损耗。 无功阻抗：电感＋绕组间的分布电容C。
电感线圈等效电路
3.1.4 转换电路
自感式传感器把被测量的变化转变为电感量的变化。 为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路 进行放大和处理，需要用转换电路把电感变化转换 成电压/电流的变化（幅值、频率、相位的变化）。 调幅电路
径向振动测量
轴心轨迹测量
转速测量
表面裂缝检测
案例： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
案例： 零件计数
吸力）；
⑤工艺要求不高，加工容易。
图3-11
测气体压力的电感传感器
P2
图3-12
压差传感器
3.2
变压器式传感器
3.2.1 工作原理
将被测量转换为线圈间互感系数的变化。多采用差动形式。
A、B为山字形固定铁心 两个线圈，W1a及W1b为一次 绕组，W2a及W2b为二次绕组
C为衔铁。
气隙型差分变压器式传感器
截面积型差动变压器式传感器
3.2.2 差动变压器式传感器等效电路
各r为线圈的直流电阻
幅频、相频特性曲线
灵敏度为：
3.2.3 差分变压器式传感器的测量电路
差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，直接 用电压表测量时存在下述问题： ①总有零点残余电压输出 → 零位附近的小位移 测量困难。 ②交流电压表无法判别衔铁移动方向。 常采用差动相敏检波电路、差动整流电路来解决。
3.2.5 变压器式传感器的应用举例
差动变压器式位移传感器
1测头；2轴套；3测杆；4衔铁； 5线圈架；6弹簧；8屏蔽筒； 9圆片弹簧；10防尘罩
差动变压器式测力装置
弹性元件是簿壁圆筒，在 外力F 作用下，变形使差 动变压器的铁心产生微位 移，变压器次级产生相应 电信号。 为了减小横向力或偏心力 的影响，传感器的高径比 应较小。
截面型自感传感器是线性的； 气隙型自感传感器是非线性的。
变气隙型自感传感器的灵敏度
从提高灵敏度的角度看，初始空气隙 l0 应尽量小→测 量范围变小，灵敏度的非线性也将增加。 如采用增大气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提 高灵敏度，则传感器的几何尺寸和重量必将增大。 以上矛盾在设计传感器时应适当考虑。
Δφ U0 U0
3.1.5
零点残余电压
在电桥预平衡时，无法真正实现平衡，最后总要存 在着某个输出值Δ U0
图3-10
U0-l 特性
3.1.6
自感式传感器的特点以及应用
①灵敏度比较好，输出信号比较大,信噪比较好；
②测量范围比较小，适用于测量较小位移；
③存在非线性；
④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器（电磁
差动相敏检波电路
差动整流电路
3.2.4
零点残余电压的补偿
差动变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压 的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际 特性不同于理想特性。
采用对称度很高的磁路线圈来减小零点残余电压在设 计和工艺上是有困难的，可在电路上采取补偿措施， 这是最简单有效的方法。
零点残余电压补偿电路
3.3.2
转换电路
涡流传感器把被测量的变化转换成传感器线圈的品质 因数Q、等效阻抗Z 和等效电感L的变化。转换电路的 任务是把这些参数转换为电压或电流输出。 利用阻抗Z 的转换电路一般用电桥桥路，它属于调幅 电路。 利用电感L的转换电路一般用谐振电路，可分为调幅 电路和调频电路。
一、电桥电路
图3-28
0
二、调频电路
传感器电感L的变化将引起输出电压频率f 的变化。 把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路。 当L变化时，振荡频率随之变化，根据的f 大小即可测 出被测量值。
图3-8
调频电路
线性度较差，只有f 较大时才能达到较高 精度。
三、调相电路
传感器电感L的变化将引起输出电压相位φ的变化。 调相电桥电路，一臂为传感器L，一臂为固定电阻R。设计 时使电感线圈具有高品质因数，忽略其损耗电阻，则电感 线圈上压降UL与固定电阻上压降UR互相垂直，当电感L变化 时，输出电压U0的幅值不变，相位角φ 随之变化。
3.1 自感式传感器 3.1.1 工作原理
衔铁
线圈
固定铁心
电感与线圈匝数W 的平方成正比；与空气隙有效截 面积S0成正比；与空气隙长度l0所反比。
W 0 S0 电感L 2l0
2
图3-2
截面型自感传感器
图3-3
差动自感传感器
3.1.2
线性度
灵敏度与线性度
W 0 S0 电感L 2l0
2
2膜盒； 5差分变压器； 6衔铁
图3-25 微压传感器
图3-26 加速度传感器
案例：板厚测量
~
案例：张力测量
3.3
3.3.1
涡流式传感器
工作原理
当金属板置于变化磁场中或在磁场中运动时，金属板中产生 感应电流，这种电流在金属板体内是闭合的，称为涡流(Eddy Current)。
L
Z
Q
图3-27 涡流式传感器原理图
涡流式传感器电桥电路
二、谐振调幅电路
图3-29
谐振调幅电路
图3-30 谐振调幅电路特性
三、谐振调频电路
图3-31
调频电路原理图
3.3.3 涡流式传感器的特点及应用
涡流式传感器的特点是结构简单、易于进行非接触的连续 测量，灵敏度较高，适用性强。
图3-32
低频透射涡流测厚仪原理
图3-33
不同频率下的e=f(h)曲线
若x一定，变化或ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实现材质鉴别或无损探伤。
集肤效应（趋肤效应）
涡流在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只 集中在金属导体的表面。 电涡流在金属导体内的渗透深度为：
h 5030 f
h渗透深度，cm； ρ金属导体的电阻率，Ω·cm； μ相对磁导率； f 激励源频率，Hz
频率f 越高，电涡流的渗透深度h越浅，集肤效应越严重。 故涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式。