互感式传感器
互感式传感器.
互感式传感器互感式传感器根据互感的基本原理，把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化。
变压器式传感器与变压器的区别是：变压器为闭合磁路，而变压器式传感器为开磁路；变压器初、次级线圈间的互感为常数，而变压器式传感器初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变，且变压器式传感器有两个次级绕组，两个次级绕组按差动方式工作。
因此，它又被称为差动变压器式传感器。
差动变压器结构形式较多，有变间隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1-100mm 的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。
1．螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器的基本结构如图2.21所示，它由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图 2.22所示，其中对1•U 、1•I 为初级线圈激励电压与电流， L l 、R l 为初级线圈电感与电阻，M l 、M 2分别为初级线圈与次级线圈1、2间的互感，L 21、 L 22和R 21、R 22分别为两个次级线圈的电感和电阻。
图2.21 螺线管式差动变压器 图2.22等效电路 当初级绕组N 1加以激励电压1•U 时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组中便会产生感应电势E 21和E 22。
根据变压器原理，传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差，即 ••••-=-=12122212)(I M M j E E U ω （2.35）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，必然会使两互感系数21M M =。
根据电磁感应原理，将有2221E E =，因而022212=-=•••E E U ，即差动变压器输出电压为零。
当衔铁偏离中间位置向上移动时，由于磁阻变化使互感21M M >，即11M M M ∆+=，22M M M ∆-=。
互感型(差动变压器式)传感器图解分析.
互感型（差动变压器式）传感器图解分析
互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。
由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。
和两个参数完全相同的次级线圈、组成。
线圈中心插入圆柱形铁芯、反极
加上交流电压时，如果，则输出
；当铁芯向上运动时，；当铁芯向下运动时，。
铁芯偏离中心位置愈大，愈大
差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。
因此，差动变
压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。
差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达0.1μm；线性范围大，可到±100mm；稳定性好，使用方便。
因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。
差动变压器式。
互感型电流传感器工作原理
互感型电流传感器的工作原理介绍互感型电流传感器是一种广泛应用于电力系统中，用于测量电流的传感器。
它通过测量被测电流产生的磁感应强度来实现电流的测量。
互感型电流传感器的工作原理相对简单，但其在电力系统中的重要性和广泛应用使得深入理解其工作原理变得必要。
基本原理互感型电流传感器基于互感原理工作，即当电流通过导线时，会产生与之成正比的磁感应强度。
互感型电流传感器利用一个初级绕组和一个或多个次级绕组构成的互感器，将被测电流通过初级绕组产生的磁通量传递到次级绕组，并输出一个经过放大的次级电流信号。
初级绕组互感型电流传感器中的初级绕组是一个环形线圈，通常由导线或薄铜板制成。
被测电流通过这个绕组，产生一个与电流大小成正比的磁场。
次级绕组次级绕组是通过磁性材料套在初级绕组上形成的，一般由多层绝缘绕组构成。
次级绕组的匝数通常远多于初级绕组，这样可以实现电流传感器的准确放大。
磁性材料次级绕组上使用的磁性材料通常是铁芯或软磁粉，这些材料具有良好的磁导率和导磁性能，可以增强磁感应强度并提高传感器的灵敏度。
磁通量传递当被测电流通过初级绕组时，会产生一个磁场，磁场通过次级绕组上的磁性材料，形成一个与初级绕组磁场成比例但相应放大的磁场。
互感由于磁场的存在，初级绕组和次级绕组之间会发生互感，即磁场的变化会在次级绕组中诱导出电动势。
转化为电流信号次级绕组中诱导出的电动势通过外部电路连接到测量装置，经过放大和处理后转化为与被测电流大小成正比的电流信号。
工作原理总结互感型电流传感器的工作原理可以总结如下：1.被测电流通过初级绕组产生磁场；2.磁场通过次级绕组上的磁性材料，形成一个相应放大的磁场；3.初始绕组和次级绕组之间发生互感，诱导出次级绕组中的电动势；4.电动势通过外部电路连接到测量装置，并经过放大和处理；5.放大和处理后的电流信号转化为与被测电流大小成正比的信号。
特点与应用互感型电流传感器具有以下特点：1.高精度：由于互感型电流传感器中涉及到磁场和次级电流的精确测量，因此具有较高的测量精度。
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？
霍尔式传感器与磁感应式传感器的区别
磁感应式传感器也称互感器，互感器利用电磁感应原理，即变化的磁场产生电场的原理。
将两个线圈绕在同一个铁芯上，二次绕组感应出于一次绕组呈比例关系的电压或电流。
因此，也有称互感原理或变压器原理。
霍尔传感器是利用霍尔效应制作的传感器。
当一个导体通过与外磁场垂直的电流时，在导体的与磁场及电流方向均垂直的方向上，会产生一个电势差。
这个电势差与外磁场的磁感应强度及电流大小成正比，固定电流大小，电势差与外磁场的磁感应强度成正比。
利用一次线圈产生外磁场，那么电势差与一次电流成正比，这就是霍尔传感器的原理。
从应用角度，两者相同之处在于都需要一次线圈产生磁场。
不同之处之一在于互感器需要变化的磁场，而霍尔传感器可以是恒定的磁场，因此，前者只能用于交流测试，而后者可以用于交流和直流测试。
不同之处之二在于互感器有铁芯，而霍尔传感器没有铁芯，前者对于频率来讲是非线性的，后者是线性的，因此前者适用的频段较窄，一般用于固定频段（如45~66Hz），后者频段较宽。
不同之处之三是互感器较多的用于电能计量，相位指标是测量用互感器的重要指标。
而霍尔传感器较多的用于控制或简单的电压、电流独立测试，一般不控制相位指标，也不提供相位指标（如
50Hz的相位误差指标）。
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。
7-1 互感传感器原理及应用
7.1 互感1. 互感的定义互感，顾名思义，就是互相感应。
这样的定义很模糊，但至少说明了一点，就是需要两个或两个以上的东西才能互相感应。
下面我们通过逐步分析来引入互感的正式定义。
图1为绕有两个线圈的螺线管。
当线圈通以电流时，产生的磁场定性绘制如图2所示。
图1 绕有两个线圈的螺线管图2 线圈通以电流产生的磁场由图2可见，每个线圈产生的磁场既穿过自身，也有一部分会穿过另一个线圈，从而产生磁场的耦合。
因此，每个线圈的磁通都包含两部分：自己产生的磁通和另一线圈耦合过来的磁通。
显然，自己产生的磁通量与自己的电流成正比，而另一线圈耦合过来的磁通量与另一线圈的电流成正比。
据此，线圈1和线圈2的磁链（即多匝线圈的磁通量）分别为 1112(12L i Mi ψ=+线圈自身产生的磁通量）（线圈耦合过来的磁通量） （1） 2221(21L i Mi ψ=+线圈自身产生的磁通量）（线圈耦合过来的磁通量） （2）式（1）和（2）中的L 1和L 2称为自感，M 称为互感，可见互感是用来表征两个线圈之间的耦合作用。
2.耦合线圈的同名端讲到互感，就必须引入同名端的概念。
首先我们来说一下为什么要引入同名端的概念。
线圈磁场的耦合有两种可能：磁场相互增强和磁场相互削弱。
图2显示的两个线圈产生的磁场由于方向相同，所以磁场相互增强。
如果我们改变线圈2中电流的方向，如图3所示。
根据右手法则，很容易判断出两个线圈产生的磁场方向相反，所以磁场相互削弱。
图3 改变线圈2电流方向的螺线管我们之所以能判断出线圈产生的耦合磁场是增强还是削弱，前提是我们必须知晓线圈是如何绕制的，然后才能根据右手法则判断磁场方向，进而判断增强还是削弱。
可是，在实际中，线圈都是已经制作好的，一般都已经封装起来，因此从外面只能看到线圈引出的两个端子，看不到线圈内部到底是如何绕制的。
既然不知道线圈如何绕制，自然就无法根据右手法则判断磁场增强还是削弱。
那么，我们该怎么办呢？解决以上问题的方法就是引入同名端的概念。
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。
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故i４＞ i３，流经RL的电流为 i０= i４－ i３ ＞０
-
U1 0
e1 + -
e2
+
T1
D1
R
R
D2
D3 R
R D4
RL
-
u1
+
T2
负半周时
i1
R
u2 RL
i１= i２
i1
i2
i2
R
u1 RL
i０= i１－ i２ =０
②当衔铁在零位以上时，Ｕ１与Ｕ２同频同相。
+
U1 0
e1 +
e2
-
T1
D1
R
R
D2
D3 R
R D4
RL
+
u1
+
U 2
u2
-
T2
正半周时
i4
i4
u1e2 R RL
i3
i3
u2 e2 R RL
Ｕ０
ＵＺ
x 0
Ｕ０
ＵＺ
x
0
零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志
之一 。因为如果零点残余电压过大，会使灵敏度下降，
非线性误差增大。所以，在制造传感器时，要规定其
零点残余电压不得超过某一定值。
例如某自感测微仪的传感器，经200倍放大后，在放大 器末级测量，零点残余电压不得超过80mv 。
仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压 太大，就要进行调整。
补偿零点残余电压的电路
3.2.3测量电路
• 能辨别移动方向 • 消除零点残余电压 • （1）差动整流电路 • （2）相敏检波电路 •
• 1 差动整流电路
整流原理:把差动变压器的两个次级输 出电压分别整流, 然后将整流的电压
或电流的差值作为输出。
电阻R0用于调整零点残余电压。
整流器件:二极管及由 它们组成的电桥。
②高次谐波 由于导磁材料(铁心)磁化曲线(B-H特性)的非线性 、
磁滞损耗和两线圈磁路的不对称，造成两线圈中某些高 次谐波成分不一样，不能互相抵消
激励电流波形失真，其内含高次谐波分量
消除零点残余电压方法：P68
1．从设计和工艺上保证结构对称性 力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁
芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。
3.2 互感式传感器---差动变压器 3.2.1 互感式传感器的结构与工作原理
差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管 式等。目前多采用螺管型差动变压器。
21 3
4
螺管型差动变压器 1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁
21 3
工作原理类似于变压器。初、
次级绕组的耦合能随衔铁的移动
而变化，即绕组间的互感随被测 4 位移的改变而变化。
铁 芯U24 在 零U68 位 以 U2
铁U24
t
芯
在 U68
t
零 位 U2
t t
上
t
t
铁芯U24 在零U68
t
位
t
以U2
下
t
（2）半波电压输出
a b
c d
衔铁上移 衔铁下移
正半周二极管均导通 Eab Ecd 负半周二极管截止。U2 0 正半周二极管均导通 Eab Ecd 负半周二极管截止。U2 0
U1 0
T1
D1
R
R
D2
D3 R
R D4
RL
+
u1
u2
U 2
T2
正半周时:
i4
i3
i4
u1 R RL
i3
R
u2 RL
u1= u２
i３= i４位如,i果则０存可=在以i４零通-点过i３电调=０
节F,点,使IO为0
U1 0
T1
D1
R
R
D2
D3 R
R D4
RL
u- 1
+
u-2
U 2
（1）全波电压输出
U2=U24- U68
衔铁上移 Eab Ecd
衔铁下移 Eab Ecd
U24 U68 U2 0 U24 U68 U2 0
U2=U24- U68
衔铁上移 衔铁下移
Eab Ecd Eab Ecd
U24 U68 U2 0 U24 U68 U2 0
U2 0 U2 0
2． 二级管相敏检波电路
参考电压Ｕ２和差动变压器的输出电压Ｕ１同频，经过 移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１
e1
U 差动变压器
的输出电压 1
e2
T1
D1
R
R
D2
D3 R
R D4
RL
u1
U 2 参考电压
u2
T2
① 当衔铁在中间位置时，Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。
零点残余电压波形
U
Ui
(a)残余电压的波形
UZ t
(b)波形分析
UZ
1
2
34
5 t
1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波4 三次谐波5 电磁干扰
零点残余电压产生原因P68：
①基波分量 两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对
称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调 整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。
压器输出电压为
差动变压器的等效电路
e2 e21 e22 j M1 M 2
e1
R1 jL1
LM1e,1121,初R,间M1级初1的分线级互别圈线感为激圈初励电级电感与压和次电级阻线圈
LR2211,,LR2222两两个个次次级级线线原理:电磁感应
x(位移、流量、振动） L（M(互自感感) ）U（I）
初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原 边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串 接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以 又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称 为差动变压器。
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、
R21
磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：
当次级开路时，初级绕组的交流电流为：
I1
R1
e1
jL1
～
R1 I1
次级绕组的感应电动势为：
e1
M1 ～ e21
L21 L1
e2 R22
e21 jM1I1
e22
jM
2
I1
U i
L22 M2 ～ e22
由于次级绕组反向串接，故差动变
1、激励电压幅值与频率的影响
2、温度变化的影响
周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变 化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。因此，采用 差动电桥可以减少温度的影响。
e2
e21
e22
jM1
M2
R1
e1
jL1
3、零点残余电压
定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余 电压。（x＝0， U0＝UZ≠0)
2．选用合适的测量线路 相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔
铁在中间位置时的零点残余电压消除掉。
3．采用补偿线路 在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、
电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。 补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电
压的大小和相位改变，使零点电压最小。