5-4 电感式传感器 _学生
传感器与传感器技术
传感器与传感器技术传感器与传感器技术一、什么是传感器？传感器是将非电信号（如声波、温度、压力等）转换成电信号的装置。
其基本原理是根据被测试物体的物理量或化学量的变化，将其转换为容易处理的或易于传输的电信号。
传感器是信息采集的第一环节，常被广泛应用于工业自动化控制、环境监测、医疗诊断、生物信息处理等领域。
二、传感器的特点（1）高精度：传感器可以进行微小量的测量，具有极高的精度和稳定性。
（2）多功能：传感器可以测量多种参数，如温度、压力、速度、加速度、力量、角度、位置等多个物理量。
（3）自动化和数字化：传感器可以通过电信号自动地进行信息采集和处理，其数字化输出能够直接送入计算机进行处理。
（4）小型化：传感器的小型化意味着其可以用于空间受限的场合，如迷你机器人、微型医疗器械等。
（5）易于集成：传感器可以与其他设备或系统集成，实现联动，促进智能化。
三、传感器的分类1. 按测量物理量类型分类（1）力学量传感器：用于测量压力、力量、转矩、位移、加速度等力学量。
（2）热学量传感器：用于测量温度、热流量、热导率等热学量。
（3）光学量传感器：用于测量光强、颜色、位置、形状等光学量。
（4）电学量传感器：用于测量电压、电流、电阻、电容等电学量。
（5）化学量传感器：用于测量气体、液体、固体等化学物质的成分、浓度、电位等化学量。
2. 按测量原理分类（1）电阻式传感器：通过测量电阻值变化微小量的大小，来确定被测量电信号的变化。
（2）电容式传感器：通过测量电容值随电信号变化的微小量的大小，来确定被测量物理量的变化。
（3）电感式传感器：通过测量电感值随电信号变化的微小量的大小，来确定被测量物理量的变化。
（4）电势式传感器：通过数量观测放电电势变化是担当物理量变化信息的一种电势式传感器。
（5）功率式传感器：通过测量功率大小来确定被测量信号的变化。
四、传感器的应用1. 工业自动化：工厂生产线中的温度、压力、流量等参数监测和控制。
2. 环境监测：气象、水质、噪声、辐射等物理量的监测。
5-4-.1-机舱常用传感器解析
应变片式压力传感器可用于测量静态压力和动态压力
（3）电磁感应式压力传感器
原理：压力信号经弹簧管变化位移信号，再经传动放大 机构转成电阻信号，经测量电桥变成电压信号。若测量压 力↑→弹簧管变形位移↑→扇形齿逆转→滑针顺转 →Rf1↓,Rf2↑→Ua↑,Ub不变→Uab↑。 由于弹簧管弹性敏感 元件存在弹性滞后效应， 因此这种传感器不适用 于测量瞬时变化的动态 压力，多用于测量压力
敏度，圈数↑→灵敏度↑。
2．吹气式液位传感器
减压阀
节流阀
浮子 流量 计
差压变送器
切换阀
安全阀
导压管
减压阀1——用来提供稳定的工作气压 节流阀2——调整吹气流量，保证导压管的微量气泡逸出 浮子式流量计6——用来观察吹气流量 导压管7——将液体静压变换成气压后传递至差压变送器 切换阀3——用来控制冲洗导压管，以免堵塞 安全阀4——保证当有导压管堵塞等故障时，使输入至差
三、液位传感器
1．变浮力式液位传感器 原理：液位信号—经浮筒—→浮力信号—经差动变压器
→交流电压信号—经整流→直流电压信号。 差动变压器： 组成：初级线圈+两个对称
的次级线圈+铁芯
基本原理：初级线圈与次级线圈间的互感系数随铁芯 的位置移动而变化。两次级线圈反相串联，当铁芯在中间 时，两次级线输出感应电动势相等，U0=U1-U2=0；若铁 芯偏离中间位置向上移动时，则U1>U2，U0增大，位移越 大，则U0越大。 当测量液位处于下限值时，铁芯在中间位置U0=0，当液 位↑→浮筒排开液体体积↑→浮力↑→弹簧反力↑→平衡时铁 芯上移量一定→U1↑，U2↓→U0↑ 调平衡弹簧的圈数可改变液位测量的灵
传感器电感实训报告书
一、实训目的本次实训旨在通过实际操作，加深对电感式传感器原理、结构、工作特性的理解，掌握电感式传感器的应用方法，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
二、实训环境1. 实训地点：XX大学传感器实验室2. 实训设备：电感式传感器实验装置、信号发生器、示波器、数字多用表、导线等。
三、实训原理电感式传感器是一种将非电量（如位移、压力、振动等）转换为电信号的传感器。
其基本原理是基于电磁感应现象。
当磁场中的磁通量发生变化时，在闭合回路中会产生感应电动势。
通过测量感应电动势的变化，可以实现对非电量的检测。
四、实训过程1. 认识电感式传感器（1）观察电感式传感器的结构，了解其主要由线圈、铁芯、磁芯等部分组成。
（2）学习电感式传感器的工作原理，理解电磁感应现象在传感器中的应用。
（3）分析电感式传感器的性能指标，如灵敏度、线性度、频率响应等。
2. 搭建实验电路（1）根据实验要求，连接信号发生器、电感式传感器、示波器等实验设备。
（2）调整信号发生器的输出频率和幅度，使其满足实验要求。
（3）观察示波器显示的波形，分析电感式传感器的响应特性。
3. 测量电感式传感器的性能（1）调整传感器与被测物体的距离，观察示波器显示的波形变化，分析传感器的灵敏度。
（2）改变传感器的工作频率，观察示波器显示的波形变化，分析传感器的频率响应。
（3）调整传感器的激励电流，观察示波器显示的波形变化，分析传感器的线性度。
4. 数据处理与分析（1）记录实验数据，包括传感器输出电压、激励电流、工作频率等。
（2）分析实验数据，绘制传感器性能曲线，如灵敏度曲线、频率响应曲线等。
（3）比较实验结果与理论分析，找出误差产生的原因。
五、实训结果1. 通过本次实训，掌握了电感式传感器的原理、结构和工作特性。
2. 学会了搭建电感式传感器实验电路，并能够进行简单的调试。
3. 掌握了电感式传感器的性能测试方法，能够根据实验数据分析传感器的性能。
4. 培养了动手能力和分析问题、解决问题的能力。
项目03 电感式传感器的应用
任务一 差动变压器在位移检测中的应用
一、自感式电感传感器
交流电桥
任务一 差动变压器在位移检测中的应用
常见的差动变压器
任务一 差动变压器在位移检测中的应用
二、差动变压器式电感传感器
1. 工作原理 如图所示，当一次线圈加入激励电源后，其二次线圈会产生感应 电动势。当衔铁处于中间位置，互感系数相等，两个线圈的互感 M1=M2=M0, U21 =U22 。两个二次绕组反向串联，因而差动变 压器输出电压U 0=0，属于平衡位置。当衔铁随被测量移动而偏离中 间位置时，互感系数不等，两个线圈的电感一个增加，一个减少，形 成差动形式，因此M1、 M2不再相等，经测量电路转换成一定的输出 电压值。衔铁移动方向不同，输出电压的相位也不同。
任务二 电涡流传感器在转速检测中的应用
二、电涡流传感器的结构和特性
1. 电涡流传感器的结构 电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。其结 构如图所示，用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置 于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。
电涡流传感器探头结构
1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板 5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头
任务一 差动变压器在位移检测中的应用
一、自感式电感传感器
电感式传感器的输出特性 1—实际输出特性2—理想输出特性
任务一 差动变压器在位移检测中的应用
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
（完整版）传感器习题库
（完整版）传感器习题库课题⼀传感器与检测技术的基础理论1-1 有⼀数字温度计，它的测量范围为-50～+150C ?，精度为0.5级。
求当⽰值分别为-20C ?、+100C ?时的绝对误差及⽰值相对误差。
1-2 欲测240V 电压，要求测量⽰值相对误差不⼤于0.6%±，问选⽤量程为250V电压表，其精度为哪级？若选⽤量程为300V 和500V 电压表，其精度⼜为哪级？1-3 已知待测电压约为80V 左右。
现有两只电压表，⼀只为0.5级，测量范围为0～300V ，另⼀只为1.0级，测量范围为0～100V 。
问选⽤哪⼀只电压表测量较好？为什么？1-4 ⽤⼀台三位数字电⼦温度计测量温度，数字⾯板上显⽰如图1－1所⽰的数值，求该仪表的分辨⼒、被测温度值、⽰值相对误差、满意相对误差。
（提⽰：该三位数字表的量程上限为199.9C ?）1-5 有⼀台测量压⼒的仪表，测量范围为60~10a P ，压⼒p 与仪表输出电压之间的关系为2012o p p U a a a =++式中，2550122,10(10),0.5(10)a a mV mV mV a a a P P ===-，求：1）该仪表的输出特性⽅程。
2）画出输出特性曲线⽰意图（x 轴、y 轴均要标出单位）。
3）该仪表的灵敏度表达式。
4）画出灵敏度曲线图。
5）该仪表的线性度。
1-6 检测系统由哪⼏部分组成？说明各部分的作⽤。
1-7 ⾮电量的电测法有哪些优点？1-8 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采⽤何种测量⽅法？如何进⾏？1-9 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm时，位移测量仪的输图1－1 数字式电⼦温度计⾯板⽰意图出电压由3.5V 减⾄2.5V ，求该仪器的灵敏度。
1-10 某测温系统由以下四个环节组成，各⾃的灵敏度如下：铂电阻温度传感器： C οΩ35.0 电桥：ΩV 01.0放⼤器： 100（放⼤倍数）笔式记录仪： V cm 1.0 求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）纪录仪笔尖位移4cm 时。
传感器原理与应用习题_第5章磁电式传感器
5-6 解：已知D1=18mm221+p2/，解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。
若振动体作简谐振动，即当输入信号x 0为正弦波时，可得到频率传递函数为正弦波时，可得到频率传递函数÷÷øöççèæ+÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=02020021)(w w x w w w w w j j x x t 得 振幅比2022020021úûùêëé÷÷øöççèæ+úúûùêêëé÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=w w x w w w w j x x t0x x t =1.02时，0w w =3.51；0x x t =0.98时，0w w=1.45因要求0w w>>1，一般取0w w ≥3，所以取0w w ≥3.515-11 已知磁电式振动速度已知磁电式振动速度传感器传感器的固有频率n f =15Hz ，阻尼系数ξ=0.7。
若输入频率为f=45Hz 的简谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？5-12 何谓何谓霍尔效应霍尔效应？利用霍尔效应可进行哪些参数测量？ 答：当答：当电流电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。
第五讲电感式传感器
Rm为均匀铁芯闭合磁路的磁阻
RM l A
l为磁路长度，μ 为磁导率，A为铁芯面积
磁通量Φ 与线圈参数有如下关系：
RM WI
衔铁
W为线圈的匝数，I为线圈的电流强度，WI称为磁通势
δ Δδ
对于不均匀磁路，如存在铁芯、街铁和气隙的磁路中，总
磁阻可分段叠加计算 RM li iAi
改变磁路长度、通磁面积A均可改变磁阻大小，从而改变磁
电感式传感器 电感式接近传感器（金属）
湖北工业大学机械学院
传感器的灵敏度(单位：mV/（m V）)
湖北工业大学机械学院
自感传感器的灵敏度是指传感器结构(测头)和转换电路综合
在一起的总灵敏度。
传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化
的衔铁位移之比，即 kt (ΔL /L)/Δx
4
（c） 螺管型 4-导杆
线圈的电感为
LW 2
Rm
式中，W为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。
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对于变间隙式电感传感器，若忽略磁路铁损，则总磁阻为
Rm1l1A1 2l2A2
2
0A
式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A1,A2,A为截面积；µ1为铁心磁
导率；µ2为衔铁磁导率；µ0为空气磁导率；δ 为空气隙厚度。
应现象称为互感现象。
21 M21I1
12 M12I2
理论和实验证明：
M12M12M
M:互感系数
r
c1 r
r
1
I1
c2 r
B1
I2
B2
2
分类:
电感式传感器
自感型
互感型
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.
将激励电流代入输出电压得： .
U E ( L1 L2 ) N 2 U0 2 L0 N1
设：向下移动Δδ, 则
L1＝L0 1 ＋ 0
1＝ 0＋， 2＝ 0－
L2＝L0 1 0
将L1、L2代入输出电压, 得： N 2 （忽略了高次项） U0 U E N1 0
9
在
2 Rm RF R 0 r S 0S l
中
l1 2 一般情况下： 0S 1S
☆
l2 2 0S 2S
2 Rm 0 S0
0 S0W L 2
2
∴ 要改变 L
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δ 气隙厚度 S0 气隙截面积 0 气隙导磁率
10
单一变气隙式自感传感器输出特性
e
L
C
Re —— 铁心涡流损耗电阻 Rh —— 磁滞损耗电阻 C —— 线圈的寄生电容
等效电路
更换电缆后必须重新校准或采用并联电容调准
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五、测量电路 1. 交流电桥式测量电路 交流电桥测量电 路 , 电源电压为 UAC 、输 出电压为 U0 。把传感 器的两个线圈作为电桥 的两个桥臂 Z1 和 Z2, 另 外二个相邻的桥臂用纯 电阻代替。 当：电桥平衡时U0=0
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Measuring circuit
交流电桥测量电路
20
1. 交流电桥式测量电路 对于高 Q 值（ Q=ωL/R ）的差动式电感传 感器, 其输出电压：
U AC Z1 U AC jL U AC L U0 2 Z1 2 R0 j L0 2 L0
将ΔL=2L0（Δδ/δ0）代 入，得出电桥输出电 压与Δδ有成正比。
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U 0 U AC
21
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22
2. 变压器式交流电桥
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。当负截阻抗为 变压器式电桥 测量电路
无穷大时, 桥路输出电压
Z2 U U Z 2 Z1 U U 0 Z1 Z 2 2 Z1 Z 2 2
δ0 δ 0 + Δ δ
δ
1
0
12
由此可见, 变间隙式电感传感器 的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感传感器用于测量微小 位移时是比较精确的。为了减小非线 性误差 , 实际测量中广泛采用差动变 间隙式电感传感器。
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13
2 [1( )( ) ...] 0 0 0 L1 2 L2 =L2 L0 =L0 [1( )( ) ...] 0 0 0 2 4 L L1 L2 2L0 [1 ( ) ( ) ...] 0 0 0 L2 L L 差动式传感器 2 L0 0 结构图 L0 2
（i）当衔铁下移：
0 0 S0W 2 L0 L L L 0 2( 0 ) 1
2 L L0 [ 1 ( )( ) ......] 0 0
当
0
<< 1
L L
0
L L0
0
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当传感器的衔铁处于中间位置，即： Z1= U 0=0, 电桥平衡。 Z2=Z时有 当 传 感 器 衔 铁 上 移 时 ， 即 Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ, 此时 由于 U 0 是 U Z U L U0 交流电压, 输出 2 Z 2 L 指示无法判断 当传感器衔铁下移时 位移方向, 必须 配合相敏检波 U Z U L 电路来解决。 U0
自感式传感器
电 感 式 传 感 器 种 类 按磁路几何参数变化 变气隙式、变面积式、螺管式
分 类
按线圈组成方式 单一式，差动式
互感式传感器 电涡流式传感器
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5
今日要点
自感式传感器 互感式传感器 电涡流式传感器 实际工程应用案例
6
4.1 自感式传感器
自感式传感器
M1
M2
差动变压器等效电路
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+ 一、工作原理 Principle &1 U I&1 r1 j L1
M1
j M I E 2a 1 1 2b j M I E 2 1
M2
差动变压器等效电路
输出电压 输出阻抗
j ( M 1 M 2 ) U 2 E2a E2b U1 r1 j L1 Z r2a r2b j L2a j L2b r2 j L2
变气隙式自感传感器 ※ 变面积式自感传感器 ※ 螺 旋 型 自感传感器
※
测量电路
交流电桥式测量电路 ※ 变压器式交流电桥 ※ 谐振式测量电路
※
7
4.1 自感式传感器 (变磁阻式传感器) self-inductor
一、变气隙式自感传感器
单一式
gap distance
1 2
δ
W2 W2 L n 线圈自感： RM Rmi
δ
0 S0W 初始电感： L0 2
S S
0
2
± S
1
2
3
Δa
0 ( S 0 ± S ) W 2 L 2
S L 1± 0 S
单一式变面积型
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+
差动式
S1 (a0 a)b，S 2 (a0 a)b
δ2
1
Δa
W 2 0a 0b a a L1 (1 ) L0(1 ) 2 a0 a0
(a,b)变气隙式、 (d,e)变面积式、 (c,f)螺旋式 差动变压器结构
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+ 二、输出特性 Characteristics
差动变压器输出特性：
紧耦合情况下：
M i Li N2 N1 i 1, 2
上对线圈互感
下对线圈互感 衔铁移动
N2 M1 L1 L1为上对线圈自感 N1 N2 M2 L2 L2为下对线圈自感 N1
2 Z
2 L
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3. 谐振式测量电路
谐振式测量电路有谐振式调幅电路、谐 振式调频电路如图所示。
谐振式调幅电路
谐振式调频电路
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在调幅电路中 , 传感器电
感 L 与电容 C 、变压器原边串 联在一起, 接入交流电源, 变
压器副边将有电压输出 , 输出
电压的频率与电源频率相同 , 而电压幅值随着电感 L 而变化。 关系曲线表明 , 其中 L0 为谐振 点的电感值 , 此电路灵敏度很
L1=L0 L1=L0
灵敏度 K0
结论
0
① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 ② 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以 （Δδ/δ0）因子, 线性度得到明显改善。
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+ 二、变面积型自感传感器 change sectional area
忽 略 RF
单一式
变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大
变气隙式传感器非线性强，示值范围小 变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低
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四、等效电路
上面分析时，将自感 线圈看成理想的纯电感， 实际上存在损耗。
RC —— 线圈铜耗电阻
equivalent circuit
Rc R h (f) R
单一式
r
rc
2
3
1
差动式
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+ 当衔铁处于中间位置时，x1=x2=x0 ,L1=L2 若偏离中心 位置 x 时： x1 x 0 x, x 2 x 0 x
( r 1) 0W 2 rc 2 2 x L 2 L1 l l
三种自感传感器的比较
i 1
W—线圈的匝数，Rmi—i段的磁阻 RM—磁路总磁阻 又
Δδ
3
1—线圈，2—铁心 3—衔铁
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li Rmi i Si
第i段磁路的平均长度 第i段磁路的横截面积 第i段磁路的导磁率
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磁阻
l1 l2 2 Rm 1 S1 2 S2 0 S
RF 铁芯衔铁磁阻 R
高, 但线性差, 适用于线性要求
不高的场合。
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谐振式调幅电路
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调频电路的基本原理 是传感器电感 L变化将引起 输出电压频率的变化。 一般是把传感器电感 L 和电容C接入一个振荡回路 中。当 L 变化时 , 振荡频率 随之变化, 根据 f 的大小即 可测出 被测量 的值 。 特性 曲线表明, 它具有明显的非 线性关系。
11
灵敏度： k
L
L0
1
0
L
L0+ΔL
L0 L0-ΔL
同理当衔铁上移 0 L0 L L0 L 1 0
2 )( ) ......] ∴ L L0 [ 1 ( 0 0
L
L0 K
δ 0- Δ δ
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第4章 电感式传感器
把被测参量转换为 电感变化的传感器 inductance
☆☆☆ 自感式电感传感器 ☆☆ 互感式传感器 ☆ 电涡流式传感器