电感式传感器及应用

( Z1 Z1 Z2
1 2)U2
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。
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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 Z2 Z0 Z

Uo
( Z0 Z 2Z0
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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
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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
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4.1.1 基本工作原理
由于Nm LI ,
Fm

NI , m

Fm Rm
铁芯 可得： L N 2
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
变压器式交流电桥电路图
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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

Uo

UAB


VA VB
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（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。
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应用
1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
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4.1.3自感式传感器应用 举例
用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、 压力、流量、液位等非电量。
2015/10/12
主讲人： 李静
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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.
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电感式传感器
原理
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
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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。
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结构
带相敏整流的交流电桥电路
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（1）初始平衡位置时
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
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（2）活动铁芯向一边移动时
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
由电感式 L N 22S同0 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。
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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。
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 1 2Z0 1 ( Z
)2
Ui
Z 2Z0
Ui
2Z0来自百度文库
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只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半 周还是负半周，电桥输出电压均为正值。
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。
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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
• 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
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 。
不足
存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
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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
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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 2

)U
2

Z 2Z0

U2
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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

Uo


L 2L0

U2
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。
线圈
Rm
磁路的总磁阻可表示为：
δ
Rm
li 2 iSi 0S
衔铁
Δδ
近似计算出线圈的电感量为：
L N 2S0 2
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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。
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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
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
由电感式 L N 22S可0 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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1．自感式测厚仪
1—可动铁芯 2—测杆 3—被测物体 30
2．位移测量
1—引线 2—线圈 3—衔铁 4—测力弹簧 5—导杆 6—密封罩 7—测头 31
其他电感测微头
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4.2 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。