第03章：电感式传感器50页
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差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的 1/10左右。
例：欲测量20mm2mm轴的直径误 差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变 压器（或电感传感器）为宜 ？
2021/4/1
16
测量电路
（以差动整 流为例）
若Ｃ1、Ｃ2
虚焊，Ua
、
o
Ub
将变成什么
o
波形？
2021/4/1
17
差动整流的特点
电路是以两个桥路整流后的直流电 压之差作为输出的，所以称为差动整流 电路。它不但可以反映位移的大小（电 压的幅值），还可以反映位移的方向。
旋转盘 35
不圆度测量打印
2021/4/1
36
电感式轮廓仪
旁向式 电感 测微头
2021/4/1
37
五、压力测量
2021/4/1
1—压力输入接头 2—波纹膜盒 3—电缆 4—印制线路板 5—差动线圈 6—衔铁 7—电源变压器 8—罩壳 9—指示灯 10—密封隔板 11—安装底座
38
压力测量用的膜盒
2021/4/1
10
图3-7 相敏检波输出特性曲线
a）非相敏检波 b）相敏检波
2021/4/1 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
11
实测得到的 相敏检波电路
的特性曲线
通过调零 电路，可使输 出曲线平移到 原点。
2021/4/1
标定位移时的实验数据及曲线
12
第二节 差动变压器式传感器
电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初 级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈 加全上波交整流流激电磁路电中压，两Ui后个，二将次在线二圈次串线联圈，中总产电生压感等应于电两压个U二O。次在线 圈的电压之和。
2021/4/1
47
4~20mA二线制仪表接线方法
4~20mA
2021/4/1
48
4~20mA二线制数显表外形及计算
在上一张图中，若取样电阻RL =500.0， 则对应于4~20mA的输出电流，输出电压Uo为 2~10V。
2021/4/1
49
第 三 节作业
P56，第4、9题 （本章作业共3道题）
I U U U (31)
Z X L 2 fL
2021/4/1
5
自感式电感传感器常见的形式
2021/4/1
变隙式
变截面式
螺线管式
6
电感量计算公式 ：
L N 20 A 2
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。 请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截
面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。
2021/4/1
50
测量转换电路的作用是将电感量的变化 转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示 出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电 路，则只能判别位移的大小，却无法判别输 出的相位和位移的方向。
如果在输出电压送到指示仪前，经过一 个能判别相位的检波电路，则不但可以反映 位移的大小（的幅值），还可以反映位移的 方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检 波电路。
结构特点： 两个二次线圈反 向串联，组成差 动输出形式。
请将二次 线圈N21、N22的 有关端点正确地 连接起来，并指 出哪两个为输出 端点。
2021/4/1
15
灵敏度与线性度
差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm， 行程越小，灵敏度越高。
为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为 宜。电源频率以1~10kHz为好。
一、位移测量
轴向式电感 测微器的外形
2021/4/1
航空插头
红宝石测头
20
其他电感测微头
2021/4/1
21
Leabharlann Baidu
模拟式及数字 式电感测微仪
2021/4/1
22
轴向式电感测微器的内部结构
1—引线电缆 2—固定磁筒
3—衔铁
4—线圈
5—测力弹簧 6—防转销
7—钢球导轨（直线轴承）
8—测杆
9—密封套
10—测端 11—被测工件 12—基准面
2021/4/1
7
差动电感传感器的特点
在变隙式差动电感传感 器中，当衔铁随被测量移动 而偏离中间位置时，两个线 圈的电感量一个增加，一个 减小，形成差动形式。
曲线1、2为L1、L2 的特性， 3为差动特性
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
请分析：灵敏度、 线性度有何变化
2021/4/1
2021/4/1
23
二、电感式滚柱直径分选装置
图3-14 滚柱直径分选装置
1—气缸 2—活塞 3—推杆 4—被测滚柱 5—落料管
6—电感测微器 7—钨钢测头 8—限位挡板 9—电磁翻板
210021—/4/1容器（料斗）
24
二、电感式滚柱直径分选装置
测微仪
2021/4/1
圆柱滚子
25
电感式滚柱直径分选装置（外形）
上图中的RP是用来微调电路平衡的，
VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路，
Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，Ａ1及 Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器，
用于克服a、b两点的对地共模电压。
2021/4/1
18
第 一、二 节作业
P56，第3题
2021/4/1
19
第三章：第三节 电感式传感器的应用
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。
2021/4/1
39
六、电感传感器在粗糙度测量中的应用 ——手持式粗糙度仪
•触针: 金刚石圆锥； •针尖圆弧半径：5μm； •可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据； •可进行粗糙度参数的打印； •可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复 杂表面进行测试；
（参考中原量仪股份有限公司资料）
滑道
分选仓位 轴承滚子外形
2021/4/1
26
电感式滚柱直径 分选装置外形
（参考无锡市通达滚 子有限公司资料）
滑道
11个分选仓位
废料仓
2021/4/1
落料振动台
27
电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）
汽缸
直径测微装置
控制键盘
长度测微装置
滑道
2021/4/1
28
机械及气动元件
2021/4/1
46
4~20mA二线制输出方式
所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系 只需两根导线。多数情况下，其中一根（红 色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为 电源负极引线，又作为信号传输线。在信号 传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称 取样电阻）接地（也就是电源负极），将电 流信号转变成电压信号。
2021/4/1
40
粗糙度仪外形
金刚石测头
2021/4/1
41
粗糙度测量结果打印（1）
2021/4/1
42
粗糙度测量结果打印（2）
2021/4/1
43
图3-17b 某一压力变送器的测量电路
2021/4/1
44
七、一次仪表与 4~20mA二线制输出方式
图3-17所示的压力变送器已经将传感器与 信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业 中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可 以是电压，也可以是电流。由于电流信号不 易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑 线路压降），所以在一次仪表中多采用电流 输出型。
仿形头
仿形机床采用 闭环工作方式
2021/4/1
31
仿形车床原理
2021/4/1
32
四、电感式不圆度计原理
该圆度计采用旁向式电感测微头
2021/4/1
33
电感式不圆度测试系统
旁向式电感测微头
2021/4/1
34
电感式不圆度测量系统外形
（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）
测量头
2021/4/1
8
差动式电感传感器的特性
从结构图可以看出，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。
从曲线图可以看出，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。
2021/4/1
9
测量转换电路
＋
请将单相变压 器二次线圈N21、 N22的有关端点按 全波整流电路的要 求正确地连接起来。
2021/4/1
13
差动变压器式传感器的工作原理
差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次
线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次 线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动 势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变 化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变 压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变 压器。
第三章 电感式传感器
本章学习自感式传感器和差 动变压器的结构、工作原理、测 量电路以及他们的应用，掌握一 次仪表的相关知识。
2021/4/1
1
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流 毫安表串联后，接到机床用控制变压器 的36V交流电压源上，如图4-1所示。这 时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢 慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往 下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减 小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于 零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。
电感测微器
汽缸
气水分离器 （供气三联件）
气压表 （0.4MPa左右）
2021/4/1
导气管
储气罐
29
三、电感传感器在仿形机床中的应用
1— 标 准 靠 模 样 板 2—测端（靠模轮） 3—电感测微器 4—铣刀龙门框架 5—立柱 6—伺服电动机 7—铣刀 8—毛坯
2021/4/1
30
仿形铣床外形
主 轴
2021/4/1
2
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
2021/4/1
220V
3
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
2021/4/1
4
电感传感器的基本工作原理
当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也 较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以 电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电 感变大，电流减小。
差动变压器的结构原理如图3-8所示。在线框上绕
有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端
和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），
它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器
的原理如图3-9。图中标有黑点的一端称为同名端，通
俗说法是指线圈的“头”。
2021/4/1
14
差动变压器式传感器的等效电路
2021/4/1
45
4~20mA二线制输出方式
新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出 为1~5V(旧国标为0~10mA或0~2V)。4mA对应于零输 入，20mA对应于满度输入。不让信号占有0~4mA这 一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开 路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均 采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此 还能利用0~4mA这一部分“本底”电流为一次仪表 的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制 仪表。
例：欲测量20mm2mm轴的直径误 差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变 压器（或电感传感器）为宜 ？
2021/4/1
16
测量电路
（以差动整 流为例）
若Ｃ1、Ｃ2
虚焊，Ua
、
o
Ub
将变成什么
o
波形？
2021/4/1
17
差动整流的特点
电路是以两个桥路整流后的直流电 压之差作为输出的，所以称为差动整流 电路。它不但可以反映位移的大小（电 压的幅值），还可以反映位移的方向。
旋转盘 35
不圆度测量打印
2021/4/1
36
电感式轮廓仪
旁向式 电感 测微头
2021/4/1
37
五、压力测量
2021/4/1
1—压力输入接头 2—波纹膜盒 3—电缆 4—印制线路板 5—差动线圈 6—衔铁 7—电源变压器 8—罩壳 9—指示灯 10—密封隔板 11—安装底座
38
压力测量用的膜盒
2021/4/1
10
图3-7 相敏检波输出特性曲线
a）非相敏检波 b）相敏检波
2021/4/1 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
11
实测得到的 相敏检波电路
的特性曲线
通过调零 电路，可使输 出曲线平移到 原点。
2021/4/1
标定位移时的实验数据及曲线
12
第二节 差动变压器式传感器
电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初 级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈 加全上波交整流流激电磁路电中压，两Ui后个，二将次在线二圈次串线联圈，中总产电生压感等应于电两压个U二O。次在线 圈的电压之和。
2021/4/1
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4~20mA二线制仪表接线方法
4~20mA
2021/4/1
48
4~20mA二线制数显表外形及计算
在上一张图中，若取样电阻RL =500.0， 则对应于4~20mA的输出电流，输出电压Uo为 2~10V。
2021/4/1
49
第 三 节作业
P56，第4、9题 （本章作业共3道题）
I U U U (31)
Z X L 2 fL
2021/4/1
5
自感式电感传感器常见的形式
2021/4/1
变隙式
变截面式
螺线管式
6
电感量计算公式 ：
L N 20 A 2
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。 请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截
面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。
2021/4/1
50
测量转换电路的作用是将电感量的变化 转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示 出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电 路，则只能判别位移的大小，却无法判别输 出的相位和位移的方向。
如果在输出电压送到指示仪前，经过一 个能判别相位的检波电路，则不但可以反映 位移的大小（的幅值），还可以反映位移的 方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检 波电路。
结构特点： 两个二次线圈反 向串联，组成差 动输出形式。
请将二次 线圈N21、N22的 有关端点正确地 连接起来，并指 出哪两个为输出 端点。
2021/4/1
15
灵敏度与线性度
差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm， 行程越小，灵敏度越高。
为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为 宜。电源频率以1~10kHz为好。
一、位移测量
轴向式电感 测微器的外形
2021/4/1
航空插头
红宝石测头
20
其他电感测微头
2021/4/1
21
Leabharlann Baidu
模拟式及数字 式电感测微仪
2021/4/1
22
轴向式电感测微器的内部结构
1—引线电缆 2—固定磁筒
3—衔铁
4—线圈
5—测力弹簧 6—防转销
7—钢球导轨（直线轴承）
8—测杆
9—密封套
10—测端 11—被测工件 12—基准面
2021/4/1
7
差动电感传感器的特点
在变隙式差动电感传感 器中，当衔铁随被测量移动 而偏离中间位置时，两个线 圈的电感量一个增加，一个 减小，形成差动形式。
曲线1、2为L1、L2 的特性， 3为差动特性
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
请分析：灵敏度、 线性度有何变化
2021/4/1
2021/4/1
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二、电感式滚柱直径分选装置
图3-14 滚柱直径分选装置
1—气缸 2—活塞 3—推杆 4—被测滚柱 5—落料管
6—电感测微器 7—钨钢测头 8—限位挡板 9—电磁翻板
210021—/4/1容器（料斗）
24
二、电感式滚柱直径分选装置
测微仪
2021/4/1
圆柱滚子
25
电感式滚柱直径分选装置（外形）
上图中的RP是用来微调电路平衡的，
VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路，
Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，Ａ1及 Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器，
用于克服a、b两点的对地共模电压。
2021/4/1
18
第 一、二 节作业
P56，第3题
2021/4/1
19
第三章：第三节 电感式传感器的应用
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。
2021/4/1
39
六、电感传感器在粗糙度测量中的应用 ——手持式粗糙度仪
•触针: 金刚石圆锥； •针尖圆弧半径：5μm； •可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据； •可进行粗糙度参数的打印； •可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复 杂表面进行测试；
（参考中原量仪股份有限公司资料）
滑道
分选仓位 轴承滚子外形
2021/4/1
26
电感式滚柱直径 分选装置外形
（参考无锡市通达滚 子有限公司资料）
滑道
11个分选仓位
废料仓
2021/4/1
落料振动台
27
电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）
汽缸
直径测微装置
控制键盘
长度测微装置
滑道
2021/4/1
28
机械及气动元件
2021/4/1
46
4~20mA二线制输出方式
所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系 只需两根导线。多数情况下，其中一根（红 色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为 电源负极引线，又作为信号传输线。在信号 传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称 取样电阻）接地（也就是电源负极），将电 流信号转变成电压信号。
2021/4/1
40
粗糙度仪外形
金刚石测头
2021/4/1
41
粗糙度测量结果打印（1）
2021/4/1
42
粗糙度测量结果打印（2）
2021/4/1
43
图3-17b 某一压力变送器的测量电路
2021/4/1
44
七、一次仪表与 4~20mA二线制输出方式
图3-17所示的压力变送器已经将传感器与 信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业 中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可 以是电压，也可以是电流。由于电流信号不 易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑 线路压降），所以在一次仪表中多采用电流 输出型。
仿形头
仿形机床采用 闭环工作方式
2021/4/1
31
仿形车床原理
2021/4/1
32
四、电感式不圆度计原理
该圆度计采用旁向式电感测微头
2021/4/1
33
电感式不圆度测试系统
旁向式电感测微头
2021/4/1
34
电感式不圆度测量系统外形
（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）
测量头
2021/4/1
8
差动式电感传感器的特性
从结构图可以看出，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。
从曲线图可以看出，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。
2021/4/1
9
测量转换电路
＋
请将单相变压 器二次线圈N21、 N22的有关端点按 全波整流电路的要 求正确地连接起来。
2021/4/1
13
差动变压器式传感器的工作原理
差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次
线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次 线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动 势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变 化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变 压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变 压器。
第三章 电感式传感器
本章学习自感式传感器和差 动变压器的结构、工作原理、测 量电路以及他们的应用，掌握一 次仪表的相关知识。
2021/4/1
1
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流 毫安表串联后，接到机床用控制变压器 的36V交流电压源上，如图4-1所示。这 时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢 慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往 下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减 小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于 零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。
电感测微器
汽缸
气水分离器 （供气三联件）
气压表 （0.4MPa左右）
2021/4/1
导气管
储气罐
29
三、电感传感器在仿形机床中的应用
1— 标 准 靠 模 样 板 2—测端（靠模轮） 3—电感测微器 4—铣刀龙门框架 5—立柱 6—伺服电动机 7—铣刀 8—毛坯
2021/4/1
30
仿形铣床外形
主 轴
2021/4/1
2
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
2021/4/1
220V
3
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
2021/4/1
4
电感传感器的基本工作原理
当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也 较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以 电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电 感变大，电流减小。
差动变压器的结构原理如图3-8所示。在线框上绕
有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端
和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），
它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器
的原理如图3-9。图中标有黑点的一端称为同名端，通
俗说法是指线圈的“头”。
2021/4/1
14
差动变压器式传感器的等效电路
2021/4/1
45
4~20mA二线制输出方式
新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出 为1~5V(旧国标为0~10mA或0~2V)。4mA对应于零输 入，20mA对应于满度输入。不让信号占有0~4mA这 一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开 路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均 采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此 还能利用0~4mA这一部分“本底”电流为一次仪表 的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制 仪表。