第三章电感式传感器剖析
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3电感式_自感式传感器解析
自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。
1 2
l 2 x
r
δ
3
2ra
1
变间隙型、变面积型
图4-1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图4-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
螺管型
一、工作原理（变间隙型）
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙δ 隔开。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致 了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少， Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，设A点电位为正，B点电位为负， 二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大 而比平衡时的C点电位降低；
而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位 增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
四、转换电路
1、调幅电路
调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，它的作用是 将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交 流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工 作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕 组或紧耦合电感线圈。
当衔铁上移时：L2 L0
0
有下式：
L2 ( )2 ( )3 ...... L0 0 0 0
忽略高次非线性项Δ L与L0和Δ δ 成线性关系。同时由 于Δ L1与Δ L2不等，故在测量范围较小时，测量精度才高， 故此类适于小位移测量。
1 2
l 2 x
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δ
3
2ra
1
变间隙型、变面积型
图4-1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图4-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
螺管型
一、工作原理（变间隙型）
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙δ 隔开。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致 了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少， Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，设A点电位为正，B点电位为负， 二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大 而比平衡时的C点电位降低；
而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位 增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
四、转换电路
1、调幅电路
调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，它的作用是 将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交 流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工 作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕 组或紧耦合电感线圈。
当衔铁上移时：L2 L0
0
有下式：
L2 ( )2 ( )3 ...... L0 0 0 0
忽略高次非线性项Δ L与L0和Δ δ 成线性关系。同时由 于Δ L1与Δ L2不等，故在测量范围较小时，测量精度才高， 故此类适于小位移测量。
第三章电感式传感器
10
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
2014-3-10
四、差动电感传感器的特性
2、特性 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。抵消温 度、噪声干扰，从而减小测量误差。 从灵敏度公式看出灵敏度为非差动2倍。
a)变隙式
2014-3-10
b)变截面式
c)单线圈螺线管式
3
一、变隙式传感器 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。
仿形铣床外形
仿形头
2014-3-10
主轴
38
四、电感式不圆度计
测量过程：
该圆度计采用旁向式电感测微头，采用钨钢或红宝石， 固定测头，工件围绕测头旋转并与测头接触，通过杠杆将 位移传递给电感测头的衔铁，从而使差动电感有相应的输 出。
2014-3-10
39
电感式不圆度测试系统
旁向式钨钢或红宝石电感测微头 杠杆
测微仪器的最小量程 为 3μ m。
2014-3-10
航空插头 红宝石测头
29
其它感辨头
模拟式及数字式 电感测微仪
该仪表各档量程 为±3、 ±10、 ±30、 ±100um
相应指示表的分 度值为0.1、0.5、1.5 um
分辨力达0.1um， 精度为0.1%左右。
2014-3-10 30
二、电感式滚柱直径分选装置
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
2014-3-10
四、差动电感传感器的特性
2、特性 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。抵消温 度、噪声干扰，从而减小测量误差。 从灵敏度公式看出灵敏度为非差动2倍。
a)变隙式
2014-3-10
b)变截面式
c)单线圈螺线管式
3
一、变隙式传感器 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。
仿形铣床外形
仿形头
2014-3-10
主轴
38
四、电感式不圆度计
测量过程：
该圆度计采用旁向式电感测微头，采用钨钢或红宝石， 固定测头，工件围绕测头旋转并与测头接触，通过杠杆将 位移传递给电感测头的衔铁，从而使差动电感有相应的输 出。
2014-3-10
39
电感式不圆度测试系统
旁向式钨钢或红宝石电感测微头 杠杆
测微仪器的最小量程 为 3μ m。
2014-3-10
航空插头 红宝石测头
29
其它感辨头
模拟式及数字式 电感测微仪
该仪表各档量程 为±3、 ±10、 ±30、 ±100um
相应指示表的分 度值为0.1、0.5、1.5 um
分辨力达0.1um， 精度为0.1%左右。
2014-3-10 30
二、电感式滚柱直径分选装置
第03章电感式传感器
• 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积
就发生变化，因而导致电容量变化。
4.2.2 变面积型电容式传感器
+ + +
4.2.2 变面积型电容式传感器
• 线位移型电容式传 感器
• 平面线位移型和圆 柱线位移型两种。
4.2.3 变介电常数型电容传感器
• 变介电常数型电容传感器的结构原理如图 所示
零残电压过大带来的影响：
灵敏度下降、非线性误差增大 测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常 工作。
产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称
减小零点残余电压方法：
1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
3.6 压磁式传感器
铁磁材料的压磁效应的具体内容为： ①材料受到压力时，在作用力方向磁导率μ减小，而在作用力相垂直方向，μ略有增 大；作用力是拉力时，其效果相反； ②作用力取消后，磁导率复原； ③铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。
右图所示为压磁式压力传感器(又称为 磁弹性传感器)结构简图示例。
测头
测杆
电感 磁芯 线圈
下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图
气体压力传感器
加速度计用传感器
轴向式差动电感式传感器
总行程： 1.5mm 测量力：0.4～0.7N 示值变动性：0.2µm
总行程： 3mm 测量力：0.45～0.65N 示值变动性：0.03µm
旁向式差动电感式传感器
总行程：1.5mm 测量力：0.12～0.18N 示值变动性：0.05µm
大和检波，这种方法电路简单，主要用 在差动式电涡流传感器中。
就发生变化，因而导致电容量变化。
4.2.2 变面积型电容式传感器
+ + +
4.2.2 变面积型电容式传感器
• 线位移型电容式传 感器
• 平面线位移型和圆 柱线位移型两种。
4.2.3 变介电常数型电容传感器
• 变介电常数型电容传感器的结构原理如图 所示
零残电压过大带来的影响：
灵敏度下降、非线性误差增大 测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常 工作。
产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称
减小零点残余电压方法：
1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
3.6 压磁式传感器
铁磁材料的压磁效应的具体内容为： ①材料受到压力时，在作用力方向磁导率μ减小，而在作用力相垂直方向，μ略有增 大；作用力是拉力时，其效果相反； ②作用力取消后，磁导率复原； ③铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。
右图所示为压磁式压力传感器(又称为 磁弹性传感器)结构简图示例。
测头
测杆
电感 磁芯 线圈
下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图
气体压力传感器
加速度计用传感器
轴向式差动电感式传感器
总行程： 1.5mm 测量力：0.4～0.7N 示值变动性：0.2µm
总行程： 3mm 测量力：0.45～0.65N 示值变动性：0.03µm
旁向式差动电感式传感器
总行程：1.5mm 测量力：0.12～0.18N 示值变动性：0.05µm
大和检波，这种方法电路简单，主要用 在差动式电涡流传感器中。
第3章电感式传感器原理及其应用详解
变面积式自感传感器:
铁芯 衔铁
线圈
δ
L N 2S0 2
变面积式自感传感器结构
灵敏度为: k dL N20 dS 2
由于漏感等原因,其线性区范围较小，灵敏度也较低，因 此，在工业中应用得不多。
螺管式自感传感器:
传感器工作时,衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺 管线圈电感量的变化。
对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时， 可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的 插入深度l大致上成正比。
δ
由于 Nm LI,
Fm
NI,m
Fm Rm
可得: L N 2
Rm
磁路的总磁阻可表示为:
Rm
li 2 iSi 0S
近似计算出线圈的电感量为:
L N 2S0 2
当线圈匝数N为常数时,电感L仅仅是磁路中
磁阻的函数，只要改变 或S均可导致电感变化。
因此变磁阻式传感器又可分为变气隙 厚度的
传感器和变气隙面积S的传感器。
差动式与单线圈电感式传感器相比,具有以下优点。 （1）线性度高。 （2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。 （3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度
的影响，由于能互相抵消而减小。 （4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而
减小。
3.2.4电感式传感器的测量电路
➢ 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变 化。为了测出电感量的变化,就要用转换电路把电感 量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的 转换电路有调幅、调频和调相电路。
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 ➢ 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相
连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度
传感器原理及其应用_第3章_电感式传感器
1
2
P
r
x
为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为：
B
x
2 2 N NBS 0 N r L0 I I l
IN H l 则空心螺管线圈的电感为：
第3章 电感式传感器
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
如果铁芯长度 l e 小于线圈长度l，则线圈电感为
L
0N [lr ( r 1)l e re ]
2 2 2
l2
第3章 电感式传感器 当l e增加 l e 时，线圈电感增大ΔL，则
L L
电感变化量为
0N [lr ( r 1)(l e l e )re ]
0 N 2 S N2 N2 线圈自感L为： L 2 Rm 2 0 S
分类：
变气隙厚度δ的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器；
变铁芯磁导率μ的电感式传感器；
第3章 电感式传感器
自感式电感传感器常见的形式
变气隙式
变截面式
螺线管式
1—线圈coil ；2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core
，上式展开成泰勒级数： 1
非线性误差为
0
2
0
100%
0
第3章 电感式传感器
①差动式自感传感器的灵敏度 比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失 真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的 γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵 消温度变化、电源波动、外界 干扰、电磁吸力等因素对传感 器的影响
2
P
r
x
为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为：
B
x
2 2 N NBS 0 N r L0 I I l
IN H l 则空心螺管线圈的电感为：
第3章 电感式传感器
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
如果铁芯长度 l e 小于线圈长度l，则线圈电感为
L
0N [lr ( r 1)l e re ]
2 2 2
l2
第3章 电感式传感器 当l e增加 l e 时，线圈电感增大ΔL，则
L L
电感变化量为
0N [lr ( r 1)(l e l e )re ]
0 N 2 S N2 N2 线圈自感L为： L 2 Rm 2 0 S
分类：
变气隙厚度δ的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器；
变铁芯磁导率μ的电感式传感器；
第3章 电感式传感器
自感式电感传感器常见的形式
变气隙式
变截面式
螺线管式
1—线圈coil ；2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core
，上式展开成泰勒级数： 1
非线性误差为
0
2
0
100%
0
第3章 电感式传感器
①差动式自感传感器的灵敏度 比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失 真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的 γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵 消温度变化、电源波动、外界 干扰、电磁吸力等因素对传感 器的影响
传感器与检测技术第三章电感式传感器
架。二节式差动变压器的铁芯长度为全长的60%-80%。铁 芯采用导磁率高，铁损小，涡流损耗小的材料 (4)在不使线圈过热的条件下尽量提高激励电压。
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
三、转换电路 1．反串电路
•2．桥路
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
3．差动整流电路
感•传式感传器感与器检测技术
感•传式感传器感与器检测技术
一、高频反射式涡流传感器
•线圈上通交变高频电流 •线圈产生高频交变磁场
•产生高频交变涡流 •涡流产生反磁场 •阻碍线圈电流交换作用 •等效于L或阻抗的改变
感•传式感传器感与器检测技术
二、低频透射式涡流传感器
• U L1 • 同频交变电流 • 产生一交变磁场 • 磁力线切割M • 产生涡流I • 到达L2的磁力线
传感器与检测技术第三章电 感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
原理
电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。
•位 移 •被测物理量 •振 动 •压 力 •流 量 •比
•传感 •的变 器 化
•自感系数 L
•电路 •电
•互感系数
•的变 化
压
M
•电
流
感•传式感传器感与器检测技术
电感传感器优点
▪ 灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； ▪ 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； ▪ 性能稳定，重复性好 ； ▪ 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力
感•传式感传器感与器检测技术
第一节 自感式传感器
四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响 ▪ 电源电压的波动一般允许为5%～10%。 ▪ 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响 ▪ 为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
三、转换电路 1．反串电路
•2．桥路
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
3．差动整流电路
感•传式感传器感与器检测技术
感•传式感传器感与器检测技术
一、高频反射式涡流传感器
•线圈上通交变高频电流 •线圈产生高频交变磁场
•产生高频交变涡流 •涡流产生反磁场 •阻碍线圈电流交换作用 •等效于L或阻抗的改变
感•传式感传器感与器检测技术
二、低频透射式涡流传感器
• U L1 • 同频交变电流 • 产生一交变磁场 • 磁力线切割M • 产生涡流I • 到达L2的磁力线
传感器与检测技术第三章电 感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
原理
电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。
•位 移 •被测物理量 •振 动 •压 力 •流 量 •比
•传感 •的变 器 化
•自感系数 L
•电路 •电
•互感系数
•的变 化
压
M
•电
流
感•传式感传器感与器检测技术
电感传感器优点
▪ 灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； ▪ 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； ▪ 性能稳定，重复性好 ； ▪ 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力
感•传式感传器感与器检测技术
第一节 自感式传感器
四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响 ▪ 电源电压的波动一般允许为5%～10%。 ▪ 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响 ▪ 为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件
第3章 电感式传感器及其信号调理
当铁芯位于中间位置时，M M M ，E =0 铁芯向上位移时，M M M M M M ，
1 2
s
1
2
Es
2 jM E p Rp jLp
1
铁芯向下位移时，M
Es
M M
M 2 M M，
2 jM E p Rp jLp
3.1 自感式传感器 3.1.1 单线圈自感传感器
自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁 阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变， 引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。 气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变 气隙截面积两种方式实现。传感器线圈分单线圈 和双线圈两种。
图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器
s
Us
j (M 2 M1 ) E p j (M 2 M1 ) E p RL RL RL ( Rs1 Rs 2 ) j ( L1 L2 ) Rp jLp RL Rs jLs Rp jLp
根据（3-19）画出差动变压器频率特性如图313。
3) 采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿 电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四 种： ①附加串联电阻以消除基波同相成分； ②附加并联电阻以消除基波正交成分； ③附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量； ④附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐 波分量。串联电阻的阻值很小，为0.5－5Ω ，并 联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数 值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。
U i L U0 4 L0
采用差动结构能带来的好处： 理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡； 灵敏度提高一倍； 线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)； 差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干 扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的 方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起 的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路 实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。
第三章 电感式传感器
所以
a L L' L0 L0 a
L L0 1 K0 a a
其灵敏度系数K0为
但是，由于漏感等原因，变面积式自感传感器在A=0时，仍 有一定的电感，所以其线性区较小，为了提高灵敏度，常将 δ做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，它的量程 也不大，在工业中用得不多。
3 螺管型自感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁 芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管 线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁 芯的位移量有关。
螺旋管
l r 铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度， 比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。
U SC
Z1 Z2 Z1 Z 2 E E L1 L2 （Z1 Z2） 2 （Z1 Z2） 2
δ δ δ 2 δ 3 L1 L0 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
L2 L0 δ δ δ 2 δ 3 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
R
L L1 L2 2 L0 [1 0 0
L 2 L0 0
2
]
4
L L0 2 K0 0
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提 高一倍。 ②差动式自感传感器非线性失真小。
第三章 电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非 电量如位移、压力、振动、流量等转换成线圈自 感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换 为电压或电流的变化量输出的传感器。
3检测技术-电感式传感器
L2
L2
L20
L0
0
0
2
0
3
差动自感传感器测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
两个桥臂为传感器的线圈，另外两个为平衡电阻
交流电桥结构示意图
等效电路
初始状态时：
Z10 r1 jL1, Z20 r2 jL2 , Z3 Z4 R
r1 r2 r0 ,
L1 L2 L0 ,
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
传感器衔铁移动方向相反时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向 相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。
3.1.6 零点残余电压
Z10 Z20 Z0
衔铁上移时：Z1 Z0 Z1,
Z1 jL1
Z2 Z0 Z2 ,
输出电压为：
Z2 jL2
U0
U AC
(Z0 Z1)R (Z0 Z2 )R 2R(Z0 Z1 Z0 Z2 )
U AC 2
Z1 Z2 2Z0 Z1 Z2
U0
U AC 4
Z1 Z2 UAC
• u0的幅值要远 大于输入信号u2 的幅值, 以便有 效控制四个二极
管的导通状态。
• u0和u2由同一振荡器提供，保证二者同频、 同相（或反相）。
当位移Δx = 0时
i3
i1
i2
i4
当位移Δx = 0时，UL=0
当位移Δx > 0时, u2 与u0同频同相, 当位 移Δx< 0时 , u2与u0 同频反相。
布电容。
e
e1
零点残余电压的波形
第三章电感式传感器n
传感器实现了把被测量转变为自感和互感 量的变化，如何将电感值随外作用的变化转换 成可用的电信号，这是本节研究的内容。原则 上讲可将自感的变化转换成电压（电流）的幅 值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、 调频、调相电路。
如何将电感值随外作用的变化转换成可用 的电信号，这是本节研究的内容。
差动变压器的三种转换电路 1.
L0
0
( 1
1
)
0
按级数展开得
L2 L0
同样忽略高次项得
0
[1
(
0
)
(
0
)2
...]
L2
L0
0
可见，在不考虑非线性误差的情况下气隙增加和减小时， 电感的变化量相同的。
即
L
L0
0
此时，传感器的灵敏度为
非线性误差为
L
K0
L0
1
0
0
气隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。
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。当负载阻抗为无穷 大时, 桥路输出电压
U0
Z1 U Z1 Z2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z 电桥平衡。
U 0 =0,
再设 I1 I1e jt
则 dI1 / dt jI1e jt E jMI1
又因为 I1 U /(R1 jL1)
输出电压：
.
.
.
U 0 E jM U/(R1 j L1)
输出电压有效值
如何将电感值随外作用的变化转换成可用 的电信号，这是本节研究的内容。
差动变压器的三种转换电路 1.
L0
0
( 1
1
)
0
按级数展开得
L2 L0
同样忽略高次项得
0
[1
(
0
)
(
0
)2
...]
L2
L0
0
可见，在不考虑非线性误差的情况下气隙增加和减小时， 电感的变化量相同的。
即
L
L0
0
此时，传感器的灵敏度为
非线性误差为
L
K0
L0
1
0
0
气隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。
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。当负载阻抗为无穷 大时, 桥路输出电压
U0
Z1 U Z1 Z2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z 电桥平衡。
U 0 =0,
再设 I1 I1e jt
则 dI1 / dt jI1e jt E jMI1
又因为 I1 U /(R1 jL1)
输出电压：
.
.
.
U 0 E jM U/(R1 j L1)
输出电压有效值
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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年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
自感式电感传感器常见的形式
变隙式
教学目标
知识目标： （1）了解自感式传感器工作原理、转换电路与使用方法。 （2）掌握差动变压器式传感器的工作原理、转换电路。 （3）掌握电涡流式传感器的工作原理和实际应用方法。
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的电感式传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传感器检 测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
F
准备工作
220V 电感传感器的基本工作原理演示
第三章电感式传感器剖析 2021年2月28日星期日
第1章 检测技术基础知识
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年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
3.1.2自感式传感器的测量转换电路
为了测出电感的变化，同时也为了将电感 送入下级电路进行放大和处理，自感式传感 器要用测量转换电路把电感转换为电流或电 压的变化量。
自感式传感器的测量转换电路一般采用调 幅电路，调幅电路主要包括变压器电桥电路 和交流电桥电路。而调频电路和调相电路用 得较少。
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
情感目标： （1）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。 （3）能适应具体工作的需要，在实际的工作中发挥其创造性 。
教学重难点
教学重点： 电感式传感器的工作原理和应用。 教学难点： 电感式传感器的测量电路。
1）电感量L与衔铁插入深度l1成 正比（在螺线管中部时） 2）适应于测量较大位移 3）灵敏度较低
上述三种传感器的线圈中均通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁 吸力，会引起附加误差，且非线性误差较大。另外，外界的干扰(如电源 电压、频率、温度的变化)也会使输出产生误差，所以在实际工作中常采 用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。
第1章 检测技术基础知识
第3章 电感式传感器
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
1 3.1 自感式传感器 2 3.2 差动变压器式传感器 3 3.3 电涡流式传感器 4 3.4 电感式传感器的应用
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
2.变截面式自感传感器
L N 20 A 2
图3-4 变截面式自感传感器的输出特性 1—实际输出特性； 2—理想输出特性
由式3-2可知理论上电感量L与气隙截面积A成正比
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
3.螺线管式自感传感器
2021年2月28日星期日
变截面式 螺线管式
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
1.变隙式自感传感器
L-δ特性曲线
变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾 的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。
为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传 感器。
2021年2月28日星期日
第1章 检测技术基础知识
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。
I U U U (31)
Z X L 2 fL
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
1. 变压器电桥电路
变压器电桥电路如图 3- 7所示, 电桥的工作桥臂为Z1与Z2， 它们是传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈
2021年1章 检测技术基础知识
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
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
电感式传感器
电感式传感器建立在电磁感应的基础上，把输 入物理量（如位移、振幅、压力、流量、 比重等参 数）转换为线圈的电感和互感的变化, 再由测量电路 转换为电压或电流的变化。
电感式传感器具有结构简单, 工作可靠, 测量精 度高, 零点稳定, 输出功率较大等一系列优点, 在工业 生产和科学研究领域得到了广泛的应用。
电感式传感器种类很多, 本章主要介绍自感式、 差动变压器式、电涡流式传感器这三大类传感器。
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
3.1 自感式传感器
先看一个实验： 将一只380 V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36 V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。
请分析：灵敏度、 线性度有何变化
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
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。
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。
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第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
自感式电感传感器常见的形式
变隙式
教学目标
知识目标： （1）了解自感式传感器工作原理、转换电路与使用方法。 （2）掌握差动变压器式传感器的工作原理、转换电路。 （3）掌握电涡流式传感器的工作原理和实际应用方法。
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的电感式传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传感器检 测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
F
准备工作
220V 电感传感器的基本工作原理演示
第三章电感式传感器剖析 2021年2月28日星期日
第1章 检测技术基础知识
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
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第三章电感式传感器剖析
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
3.1.2自感式传感器的测量转换电路
为了测出电感的变化，同时也为了将电感 送入下级电路进行放大和处理，自感式传感 器要用测量转换电路把电感转换为电流或电 压的变化量。
自感式传感器的测量转换电路一般采用调 幅电路，调幅电路主要包括变压器电桥电路 和交流电桥电路。而调频电路和调相电路用 得较少。
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
情感目标： （1）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。 （3）能适应具体工作的需要，在实际的工作中发挥其创造性 。
教学重难点
教学重点： 电感式传感器的工作原理和应用。 教学难点： 电感式传感器的测量电路。
1）电感量L与衔铁插入深度l1成 正比（在螺线管中部时） 2）适应于测量较大位移 3）灵敏度较低
上述三种传感器的线圈中均通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁 吸力，会引起附加误差，且非线性误差较大。另外，外界的干扰(如电源 电压、频率、温度的变化)也会使输出产生误差，所以在实际工作中常采 用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。
第1章 检测技术基础知识
第3章 电感式传感器
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
1 3.1 自感式传感器 2 3.2 差动变压器式传感器 3 3.3 电涡流式传感器 4 3.4 电感式传感器的应用
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
2.变截面式自感传感器
L N 20 A 2
图3-4 变截面式自感传感器的输出特性 1—实际输出特性； 2—理想输出特性
由式3-2可知理论上电感量L与气隙截面积A成正比
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第1章 检测技术基础知识
3.螺线管式自感传感器
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变截面式 螺线管式
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
1.变隙式自感传感器
L-δ特性曲线
变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾 的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。
为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传 感器。
2021年2月28日星期日
第1章 检测技术基础知识
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。
I U U U (31)
Z X L 2 fL
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第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
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第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
1. 变压器电桥电路
变压器电桥电路如图 3- 7所示, 电桥的工作桥臂为Z1与Z2， 它们是传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈
2021年1章 检测技术基础知识
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
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
电感式传感器
电感式传感器建立在电磁感应的基础上，把输 入物理量（如位移、振幅、压力、流量、 比重等参 数）转换为线圈的电感和互感的变化, 再由测量电路 转换为电压或电流的变化。
电感式传感器具有结构简单, 工作可靠, 测量精 度高, 零点稳定, 输出功率较大等一系列优点, 在工业 生产和科学研究领域得到了广泛的应用。
电感式传感器种类很多, 本章主要介绍自感式、 差动变压器式、电涡流式传感器这三大类传感器。
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
3.1 自感式传感器
先看一个实验： 将一只380 V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36 V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。
请分析：灵敏度、 线性度有何变化
2021年2月28日星期日
第三章电感式传感器剖析
第1章 检测技术基础知识
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。