电感式位移传感器
位移传感器原理及应用
位移传感器原理及应用
位移传感器是一种用于测量物体位置或位移的设备，常用于工业自动化、机械控制、仪器仪表等领域。
它们基于不同的原理来实现位移测量，并将物体的位移转换为电信号输出。
以下是几种常见的位移传感器原理及其应用：
电阻式传感器：电阻式传感器利用物体位移引起的电阻变化来测量位移。
最常见的电阻式传感器是电位计。
它们通常用于测量较小的位移，如角度、线性位移等。
光电式传感器：光电式传感器利用光的特性来测量位移。
例如，光电编码器通过光栅来测量物体的旋转位移，光电传感器利用光敏元件来检测物体的位置变化。
这些传感器通常用于位置控制、机器人导航、印刷和纺织行业等。
电感式传感器：电感式传感器利用磁场的变化来测量位移。
它们通常包含一个线圈和一个磁性物体，当物体位移时，磁场的变化会导致线圈中的感应电压发生变化。
电感式传感器广泛应用于汽车行业、工业自动化和航空航天等领域。
压电式传感器：压电式传感器利用压电材料的特性来测量位移。
当施加力或压力时，压电材料会产生电荷，这可以被测量。
压电传感器常用于精密仪器、医疗设备、机械控制等领域。
容量式传感器：容量式传感器利用电容的变化来测量位移。
当物体靠近或远离电容传感器时，电容的值会发生变化，从而测量位移。
容量式传感器常用于触摸屏、液位测量、位置检测等应用。
这些只是位移传感器的一些常见原理和应用示例，实际上还有其他类型的位移传感器。
选择合适的位移传感器取决于具体的应用要求，如测量范围、精度、环境条件等。
位移传感器又称为线性传感器
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。
电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
简介电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。
位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
光电式位移传感器利用激光三角反射法进行测量，对被测物体材质没有任何要求，主要影响为环境光强和被测面是否平整。
比如公路测量用到真尚有的激光位移传感器，就对传感器进行了特殊配置，与普通情况不一样。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
原理计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。
“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。
几百位移传感器年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。
一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。
计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。
下面以透射光栅为例加以讨论。
透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。
电感式传感器的特性及应用
电感式传感器的特性及应用电感式传感器是一种通过测量电感值的变化来实现信号的检测和转换的传感器。
它利用了物体与线圈之间的磁场相互作用来实现信号的感知和测量。
电感式传感器具有灵敏度高、响应速度快、质量轻、成本低、结构简单等特点，因此在众多领域得到广泛应用。
首先，电感式传感器的特性主要表现在以下几个方面：1. 灵敏度高：电感式传感器通过测量线圈的电感值来感知外部物体的磁场，具有较高的灵敏度，可以实现对微小磁场变化的检测。
2. 响应速度快：电感式传感器的响应速度较快，可以及时对外部磁场的变化做出响应，实现实时监测和控制。
3. 宽频段：电感式传感器在很大程度上不受频率的限制，可以检测到较宽范围内的磁场信号。
4. 成本较低：由于电感式传感器的结构相对简单，所需材料较少，因此成本相对较低。
其次，电感式传感器具有广泛的应用领域，常见应用如下：1. 位移测量：电感式位移传感器可以通过感应物体与线圈之间的磁场来实现对物体位移的测量。
在机械、汽车、仪表等领域中广泛应用于位移、位置或端点检测等。
2. 速度测量：通过测量转子上的磁场与线圈之间的电感值变化，可以实现转子转速的检测，广泛应用于发电机、电机和机械制造等领域。
3. 流量测量：电感式流量传感器通常通过测量流体通过导体管道时磁场的变化来实现对流速的测量，广泛用于石油、化工、水处理等行业中的流量检测。
4. 重量测量：电感式传感器可通过检测导体中电流的变化来实现对物体重量的测量，广泛应用于电子天平、电子秤等领域。
5. 磁场检测：电感式传感器可感知磁场的强度和方向，广泛应用于磁场地质、磁场测量仪等领域。
6. 位置检测：电感式传感器可以通过检测物体与传感器之间的磁场变化来实现对物体位置的检测，常用于自动控制和机器人定位等领域。
总之，电感式传感器具有较高的灵敏度、响应速度快、结构简单等特点，能够实现对磁场信号的感知和测量。
其应用广泛，包括位移测量、速度测量、流量测量、重量测量、磁场检测、位置检测等领域。
角位移传感器的原理及应用
角位移传感器的原理及应用角位移传感器是一种用于测量物体角位移的传感器，其原理主要基于角度变化引起的信号变化。
本文将介绍角位移传感器的工作原理以及其在各个领域的应用。
一、原理角位移传感器通过测量物体的角位移来获取相关数据。
其原理一般基于以下两种方法：1. 电感式原理：该种传感器利用线圈中的感应电流来感测物体的角位移。
当物体发生角位移时，传感器内线圈的磁通产生变化，从而引起感应电流的改变。
通过测量感应电流的变化，可以间接获取物体的角位移信息。
2. 光电式原理：该种传感器利用光电器件来感测物体的角位移。
一般采用光电编码器的形式，通过编码盘上的光栅刻线和光电传感器的相互作用，将角位移转化为光信号的变化。
再通过对光信号的解码与计数，即可获得物体的角位移数据。
二、应用角位移传感器在工业领域有着广泛的应用。
下面介绍几个常见的应用场景：1. 机械制造：角位移传感器常用于机械制造中的位置测量和控制。
比如在机床中，通过安装角位移传感器可以准确测量和控制机械部件的角度变化，从而实现精确加工。
2. 机器人技术：在机器人技术中，角位移传感器可以实时监测机器人关节的角度变化，从而控制机器人的运动轨迹和姿态。
3. 航天航空：在航天航空领域，角位移传感器被广泛应用于飞行控制和导航系统，用于检测飞行器各部件的角度变化，确保飞行安全。
4. 建筑工程：角位移传感器可以用于测量和监测建筑物的结构位移。
通过安装在建筑物的各个部位，可以及时发现和解决结构变形等问题，保证建筑物的安全性。
5. 汽车行业：角位移传感器在汽车行业中常用于车辆悬挂系统和转向系统的控制。
通过实时监测车轮的角位移，可以保证车辆在行驶过程中的稳定性和操控性。
总结：角位移传感器通过测量物体的角位移来获取相关数据，其原理主要分为电感式和光电式两种。
在工业领域，角位移传感器有着广泛的应用，包括机械制造、机器人技术、航天航空、建筑工程和汽车行业等。
通过精确测量和控制物体的角度变化，角位移传感器在提高生产效率、保证安全性和改善产品质量方面发挥了重要作用。
位移传感器的工作原理
位移传感器的工作原理一、引言位移传感器是一种用于测量物体位移或者位置的设备，广泛应用于工业自动化、机械创造、航空航天等领域。
本文将详细介绍位移传感器的工作原理。
二、工作原理位移传感器的工作原理基于不同的物理原理，常见的包括电容式、电感式、光电式、压阻式等。
以下将分别介绍这些工作原理。
1. 电容式位移传感器电容式位移传感器利用电容的变化来测量位移。
它由两个电极组成，当物体挨近或者远离电极时，电容值会发生变化。
通过测量电容值的变化，可以确定物体的位移。
2. 电感式位移传感器电感式位移传感器利用电感的变化来测量位移。
它由线圈和铁芯组成，当物体挨近或者远离线圈时，线圈的电感值会发生变化。
通过测量电感值的变化，可以确定物体的位移。
3. 光电式位移传感器光电式位移传感器利用光的变化来测量位移。
它由光源、光电二极管和接收器组成，当物体挨近或者远离光电二极管时，接收器接收到的光信号强度会发生变化。
通过测量光信号强度的变化，可以确定物体的位移。
4. 压阻式位移传感器压阻式位移传感器利用电阻的变化来测量位移。
它由导电材料和弹性体组成，当物体施加压力或者位移时，导电材料的电阻值会发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以确定物体的位移。
三、优缺点分析不同类型的位移传感器具有各自的优缺点，下面将对其进行分析。
1. 电容式位移传感器的优缺点优点：测量范围广、精度高、响应速度快、抗干扰能力强。
缺点：对环境温度和湿度敏感，价格较高。
2. 电感式位移传感器的优缺点优点：测量范围广、精度高、抗干扰能力强。
缺点：响应速度较慢，对温度变化敏感。
3. 光电式位移传感器的优缺点优点：测量范围广、精度高、响应速度快。
缺点：对光照强度和环境温度敏感。
4. 压阻式位移传感器的优缺点优点：价格低廉、结构简单、抗震动能力强。
缺点：测量范围较窄、精度较低。
四、应用领域位移传感器广泛应用于各个领域，以下列举几个常见的应用领域。
1. 工业自动化位移传感器在工业自动化中用于测量机械设备的位移、位置和变形，实现对设备运行状态的监测和控制。
电感式位移传感器的设计(9页)
电感式位移传感器的设计（第1页）一、设计背景位移传感器在现代工业生产中扮演着重要角色，广泛应用于机械制造、自动化控制、航空航天等领域。
电感式位移传感器作为一种常见的位移检测装置，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点。
本文将详细介绍电感式位移传感器的设计过程。
二、工作原理电感式位移传感器是基于电磁感应原理设计的。
当传感器中的激励线圈通以交流电流时，会在周围产生交变磁场。
当被测物体（通常是金属目标物）进入该磁场并发生位移时，会导致磁路的磁阻发生变化，进而引起线圈感应电动势的变化。
通过检测感应电动势的变化，即可实现对位移量的精确测量。
三、设计目标1. 确保传感器具有较高的测量精度和分辨率；2. 提高传感器的线性度和稳定性；3. 优化传感器结构，使其便于安装和维护；4. 降低成本，提高传感器的性价比。
四、传感器结构设计1. 激励线圈设计（1）线圈的匝数：匝数越多，产生的磁场强度越大，但线圈电阻也会增加，导致功耗增大。
因此，需在磁场强度和功耗之间寻找平衡。
（2）线圈的材料：选择具有较高磁导率和电阻率的材料，以提高线圈的性能。
（3）线圈的形状：根据实际应用场景，设计合适的线圈形状，使其在有限的空间内产生较强的磁场。
2. 检测线圈设计（1）线圈与激励线圈的相对位置：确保检测线圈能充分感应到激励线圈的磁场变化。
（2）线圈的匝数：匝数越多，感应电动势越大，但线圈电阻也会增加。
需在灵敏度与功耗之间进行权衡。
（3）线圈的材料：选择具有较高磁导率和电阻率的材料。
电感式位移传感器的设计（第2页）五、信号处理电路设计1. 激励信号源（1）频率选择：激励信号的频率应适中，频率太低会导致灵敏度下降，频率太高则可能引起电磁干扰。
（2）幅值稳定：确保激励信号幅值稳定，以减少测量误差。
2. 感应电动势检测感应电动势的检测是位移测量的关键步骤。
检测电路设计如下：（1）放大电路：由于感应电动势信号较弱，需通过放大电路对其进行放大，以便后续处理。
传感器与检测技术第2章(3)-电感式位移传感器
4 4
3
4
2 2 1 （a） 变气隙型 （b） 变面积型
差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
21
（一）自感式传感器
1.自感式传感器的工作原理 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有优点： ① 线性好； ② 灵敏度提高一倍，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。
1
四 电感式传感器
电感式传感器的工作基础：电磁感应 电感式位移传感器是将被测物理量位移转化
为自感L、互感M的变化，并通过测量电感 量的变化确定位移量。 由于电感式位移传感器输出功率大、灵敏度 高、稳定性好等优点，所以得到广泛应用。
2
四 电感式传感器
被测非电量
电磁 感应
自感系数 L 自感系数L 互感系数M M
2 1 3
4
30
（二）互感式传感器—差动变压器
1.互感式传感器的结构与工作原理
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。 1 3
N 0 S0 N L R 2
2
2
L= f (δ ) δ ，S
电感传感器特性
8
（一）自感式传感器
1.自感式传感器的工作原理
线圈
铁芯
δ
衔铁 Δδ
9
（一）自感式传感器
1.自感式传感器的工作原理 变气隙式自感传感器的输出特性
位移传感器原理及应用领域
位移传感器原理及应用领域位移传感器是一种用来测量物体或系统位移改变的装置。
它通过将物体的位移转化为信号输出，以实现对位移进行准确测量和监测。
位移传感器在许多领域都有广泛的应用，包括工业自动化、航空航天、建筑工程、医疗设备等。
位移传感器的工作原理有多种，下面列举了几种常见的工作原理：1. 电阻式位移传感器：该传感器利用电阻元件的电阻随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为电阻值的变化。
2. 容积式位移传感器：该传感器利用物体位移改变容积的原理，通过测量容器内介质的体积变化来获得位移信息。
3. 电感式位移传感器：该传感器利用线圈的电感随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为电感值的变化。
4. 光电式位移传感器：该传感器利用光电元件的光强随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为光强值的变化。
5. 压电式位移传感器：该传感器利用压电材料的晶体结构随物体位移变化而发生变化的原理，将位移转化为电荷或电压信号的变化。
位移传感器在工业自动化中的应用非常广泛。
在机械加工、车床、数控机床等设备中，位移传感器可以用来监测加工过程中各个部件的位移和位置，确保加工精度和质量。
在机器人技术中，位移传感器被用来测量和控制机器人各个部件的位移变化，实现协调运动和精准抓取。
在工厂自动化生产线中，位移传感器可以用来监测和控制物料的位移和位置，提高生产效率和质量。
位移传感器在航空航天领域也有重要的应用。
在航空器设计和测试中，位移传感器可以用来测量各个关键部件的位移和变形，确保航空器的结构稳定性和安全性。
在飞行器导航和自动驾驶系统中，位移传感器可以用来测量飞行器的位移和姿态，实现精准的飞行控制。
在建筑工程中，位移传感器可以用来监测和记录建筑物的变形和位移，包括地基的变形、桥梁的位移等。
这对于建筑物的结构安全和稳定性具有重要意义。
在医疗设备领域，位移传感器可以用来测量人体的运动和位移，包括手术机器人的运动、矫形器的调整等。
它们为医生提供了精确而可靠的数据来指导手术和治疗。
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输出
调机 械 零点 螺钉
线圈2 衔铁
P
～
精品
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 ● 根据变压器的基本原理制成的，次级绕组用差动形式 连接。 ●差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。 ●在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1～100mm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。
精品
4.1.3 测量电路 交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。 1.
R
C
Z
L
当Q>>ω2LC且ω2LC<<1时
ZRjL
精品
2. 交流电桥式测量电路
Z1
U
Z
＝
3
R
Z2
Z 4＝R
U0＝UZ1＋ Z1Z2－RR R
U o
高Q值有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，
U o2(Z 1 ZZ 2)U ＝ 2Z ZU ( L 1 L 2) (4-20)
载阻抗足够大）的条件下,等效电路如下。 图中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b，分
别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。
Ma
r1a
r2a
＋
E2b
L1a
L2a
＋
U o
RL
U i
Mb
r2b
－
E2a
L1b
－
r1b
L2b
精品
当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，
精品
4.1 变磁阻式传感器
4.1.1 工作原理
l1 S1
1 L
2 W
l2
S23Leabharlann ± 变磁阻式传感器
精品
1—线 圈 ； 2—铁 芯 (定 铁 芯 )； 3—衔 铁 (动 铁 芯 )
Rml11S1l22S220S0
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
2 0S0 2 0S0
l1
1S1
Uo
ZU LU Z 2 L2
由于 U 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向，必须配合
相敏检波电路来解决。
精品
(2) 相敏检波电路
精品
(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路 使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向， 而且还消除零点残余电压的影响，
精品
4. 分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。
C
U o
L U
T U o
O
L0
L
(a)
(b)
调幅电路： 特点：此电路灵敏度很高， 但精品线性差，适用于线性度要求不高的场合。
调频电路：传感器电感L的变化引起输出电压频率的 变化。 把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中， 其
振荡频率 f 1/(2 LC) 。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。
l2
2 S 2
Rm
2 0S0
LW2 W20S0 Rm 2
分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积δ的传感器。 目前使用最广泛的是变精品气隙厚度式电感传感器
4.1.2
L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如所示。
W2 L
W20S0
L
Rm 2
L0＋L
L0 L0－L
o － ＋
变隙式电压传感器的L-δ特性
变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式， .
Uo
b b
a a
W W12Ui
分析. ：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0， 则Uo=0。但是 如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）
时，则有δa=δ0-Δδ，Uδob=δ0+Δδ，W W代12 入U0上i 式可得
K Uo W2 Ui
f
C
L
G
f
精品
o
L
5.调相式转换电路形式 传感器电感L变化会引起输出电压相位变化.
2tg1(L/R) Δ 2(L/R) ΔL
1(L/R)2 L
精品
6.自感传感器的灵敏度
传感器结构灵敏度
kt (ΔL/L)/Δx
转换电路灵敏度
kcu0/Δ (L/L)
总灵敏度 kzktkcu0/Δx
精品
气隙型、变压器电桥 传感器
精品
3.
(1) 变压器电路
U
C ＋U
－2 ＋U
－2 D
Z1
＋A Z2 U o
－ B
UoZ1Z 2Z2U1 2UZ Z1 2 Z Z2 1U 2
使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用 精品
当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，
UoZZU 2 LLU 2
当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
电感式传感器
精品
电感式位移传感器实例
精品
• 电磁感应
• 利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量
被测物理量 （非电量：位移、 电磁感应
振动、压力、
流量、比重）
线圈自感系数L/ 互感系数M
电感/互感
电压或电流 （电信号）
• 分为变磁阻式、变压器式、涡流式等 • 特点：
– 工作可靠、寿命长 – 灵敏度高，分辨力高 – 精度高、线性好 – 性能稳定、重复性好
精品
(a)、(b) (c)、(d)
变 螺隙 线精式 管品差 式动 差变 动压 变器 压； 器；
(e)、(f) 变面积式差动变压器
1. 工作原理
A Ii
1
U1
1
2
Ui
a
b
W1a C
W2a
e2a
Uo
W1b
W2b
e2b
2
U2
B
(a)
(b)
精品
2. 输出特性
在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负
精品
分析： 当衔铁处于初始位置时，
L0
0S0W 2 0
2
当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ， 则 此时输出电感为
LL0L2(W 020 S0 )1L 0 0
精品
灵敏度
L
K0
L0
1
0
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，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。
kz10
(L)2 R2 (L)2
u 2
第一项决定于传感器的类型 第二项决定于转换电路的形式 第三项决定于供电电压的大小
传感器灵敏度的单位为 mV/(μm·V)
电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏
精品
线圈 铁芯
衔铁
U～ A
膜盒
P
变隙电感式压力传感器结构图
精品
C形 弹 簧 管
线圈 1
精品
与
K 0
• 衔铁上移
– 切线斜率变大
L
L
K L00＋LL0 101 0 0 2
• 衔铁下移
– 切线斜率变小
L0 L0－L
L
K0Lo0 10－1－ 0 ＋ 02－
精品
为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变 隙式电感传感器。
1
2
L1
3 L2
2 1
Ro
U s
U o
Ro
1—铁 芯 ； 2—线 圈 ； 3—衔 铁
W 精品 1 0
U o
2 1
e2a e2a － e2b
e2b Uo
－
O
＋
1— 理 想 特 性 ； 2— 实 际 特 性