第4章 电感式传感器
电感式传感器PPT课件
2
LC
2LC
Q2
(1
2LC)2
2LC Q
2
(4-17)
第4章 电感式传感器
当Q>>ω2LC且Ω2lc<<1
Z
R
(1 2LC)2
;
令
L'
L
(1 2LC)2
则
Z R' jL'
从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及 有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它 会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量 中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的 灵敏度重新进行校准。
为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙 式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全 一致。
第4章 电感式传感器 图4-3 差动变隙式电感传感器
第4章 电感式传感器 4.1.3 测量电路
电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥 以及谐振式等。
1.
从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电 感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线 绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有 功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。 于是可得到电感式传感器的等效电路如图4-4所示。
其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动， 使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。 即一个电感量增大，一个电感量减小。电感的这种变化通 过电桥电路转换成电压输出，所以只要用检测仪表测量出 输出电压，即可得知被测压力的大小。
第4章 电感式传感器 4.1.5
传感器与检测技术期末考试试题与答案2023年修改整理
第一章 传感器基础l。
检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。
答:一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息猎取、转换、显示和处理等功能。
固然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图.检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统猎取信息的质量往往是由传感器的性能确定的,因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息同时不易消除传感器所引入的误差.测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
依照需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作.显示记录装置是检测人员和检测系统联系的要紧环节,要紧作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2。
传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称（传感器） 被测量—转换原理—序号主称--传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记.见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记.见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。
若产品性能参数不变,仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等,（其中I、Q不用）.例：应变式位移传感器： C WY—YB-20;光纤压力传感器：C Y-GQ—2。
3。
测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时,应当采纳何种测量方法? 如何进行？答:测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采纳微差式测量。
此刻输出电压认可表示为U，U=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。
假如采纳偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，那个小量造成的U的变化就很难测准.测量原理如下图所示:图中使用了高灵敏度电压表——毫伏表和电位差计，Rr和E分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E1、R1和Rw表示电位差计的参数.在测量前调整R1使电位差计工作电流I1为标准值。
传感器与检测技术-电感式传感器
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。
可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。
电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。
一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。
这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。
丄3. 1自感式传感器丄3. 2变压器式传感器丄3. 3涡流式传感器丄3. 4压磁式传感器丄3. 5感应同步器*本章要点3. 1自感式传感器©3.1©3. 1 蛛3・1©3. 1©3. 11自感式传感器的工作原理2灵敏度与非线性3等效电路T<14转换电路5零点残余电压©3. 1 6自感式传感器的特点及应用3. 1. 1自感式传感器的工作原理电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数W平方成正比；与空气隙有效截面积S。
成正比；与空气隙长度1。
所反比。
刪图3-1自感式传感器原理图刪图3-2截面型自感式传感器B为动铁芯（通称衔铁）A为固定铁芯辎图3-3差动自感式传感器3. L1自感式传感器的工作原理截面型自感式传感器3. 1. 1自感式传感器的工作原理图LT3. L1自感式传感器的工作原理差分自感式传感器丕页iHBr图库J■・■3. 1. 2灵敏度与非线性气隙型其灵敏度为: 差动式传感器其灵敏度:S==lo以上结论在满足A 1/10< VI时成立。
从提高灵敏度的角度看，初始空气隙1。
距离人应尽量小。
其结果是被测量的范围也变小。
同时，灵敏度的非线性也将增加。
如釆用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。
这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。
与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高。
但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。
因此近年来这种类型的使用逐渐减少。
差动式传感器其灵敏度与单极式比较。
其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。
第4章 电感式传感器线位移及尺寸测量
2
P
r
x
B 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： IN H 2 2 l N NBS 0 N r 则空心螺管线圈的电感为： L0 I I l
电子工业出版社
x
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。
电子工业出版社
L
ΔL1 L0 ΔL2 δ0 δ
2. 螺线管型电感传感器
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一根圆柱 形铁芯及磁性套筒。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度 的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发 生变化。
螺管线圈 l r 铁芯 x
电子工业出版社
为了提高灵敏度与线性度,常 采用差动螺管式自感传感器。 图(b)中H=f(x)曲线表明：为 了得到较好的线性,铁芯长度 取0.6l时,则铁芯工作在H曲线 的拐弯处,此时H变化小。这种 差动螺管式自感传感器的测量 范围为(5～50)mm,非线性误 差在0.5％左右。
2lc
Δlc
r
x 线圈Ⅱ (a)
当
2 4 L 1 2 ... L0 0 0 0 L 2 忽略高次项，可得: L0 0
0
，上式展开成泰勒级数： 1
差动变隙式自感传感器的灵敏度为
3
L L0 2 K 0
1 线圈Ⅰ自感特性曲线； 2 线圈Ⅱ自感特性曲线； 3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压－位移特性曲线
电子工业出版社
L/mH 100 75 LD 50 25
第四章电感式传感器
式中，r 、rc 为螺管、铁芯的半径；l、l为c 螺管、铁芯 的长度； lc 、rc 位移量。
所以，传感器灵敏度为：
K
4 2 N 2
l2
r
1 rc2
107
采用差动形式，灵敏度可提高一倍。 提高灵敏度的途径：
①使线圈与铁芯尺寸比值和趋于1； ②铁芯的材料选用导磁率大的材料。
三种自感式传感器的比较： ◆ 变间距式: 灵敏度最高，且随间距增大而减小；
4.2.4 误差因素分析
（1）激励电源的影响 幅值和频率都会直接影响输出，必须适当选择 合适的值。
（2）温度的影响： 温度变化，引起线圈磁场发生变化，从而产生 温漂（品质因数Q低时，影响更为严重。
解决方法：①采用恒流源供电； ②提高线圈的品质因数； ③采用差动电桥。
（3）零点残余电压 差动变压器在初始状态下，衔铁处于中间位置， 存在零点残余电压，
常用测量电路为： ◆ 差动整流电路 ◆ 相敏检波电路
1. 差动整流电路 差动整流电路分为全波和半波电路，如图所示：
以图（c）为例，波形变化为：
2．相敏检测电路
4.2.6 应用
(1)差动变压器式加速度传感器
(2)差动变压器式微压力变送器
微压传感器
退出
电感测微仪------差动式自感传感器测量微位移
4.1 自感式传感器
自感传感器的常见形式有气隙型和螺管型。
一、气隙型电感传感器 1. 工作原理：
线圈的电感为：
N2 L
Rm
Rm
l1
1S1
l2
2S2
l
0S
一般铁心的磁阻远较气隙磁阻小，有
Rm
l
0S
电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数N 平方成正比；与空气隙有效截面积S成正比；与 空气隙长度所反比。
第4章电感式传感器习题
第4章 电感式传感器1、 说明电感式传感器有哪些特点。
2、分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器的工作原理和灵敏度。
3、试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。
4、分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善？5、某差动螺管式电感传感器的结构参数为单个线圈匝数W=800匝，l =10mm ，l c =6mm ，r=5mm ，r c =1mm ，设实际应用中铁芯的相对磁导率µr =3000,试求：（1）在平衡状态下单个线圈的电感量L 0=？及其电感灵敏度足K L =?（2）若将其接人变压器电桥，电源频率为1000Hz ，电压E=1.8V ，设电感线圈有效电阻可忽略,求该传感器灵敏度K.(3）若要控制理论线性度在1％以内，最大量程为多少？ 螺管式线圈插棒式铁芯线圈1线圈2铁芯（a)(b)图3—15 差动螺管式电感传感器解：(1）根椐螺管式电感传感器电感量计算公式,得()222200cc r r l lrlW L μπμ+=()()()H 46.010*********10101080010492922327=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=----ππ差动工作灵敏度：rc L r l W K μπμ22202⋅= ()mm m m /6.151/6.15130001011010800104262327H =H =⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---ππ （2） 当f =1000Hz 时，单线圈的感抗为X L =ωL 0 =2πf L 0 =2π×1000×0。
46=2890(Ω） 显然X L 〉线圈电阻R 0，则输出电压为02L L E U O ∆=测量电路的电压灵敏度为H=H =H ⨯==∆=m mV V V L E L U K u /96.1/96.146.028.1200而线圈差动时的电感灵敏度为K L =151。
6mH/mm,则该螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏度为 H ⨯H =⋅=m mV mm m K K K u L /96.1/6.151 =297.1mV/mm6、有一只差动电感位移传感器，已知电源电U sr =4V,f=400Hz ，传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=40Ω，L= 30mH ，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如习题图3—16所示，试求： （1)匹配电阻R 3和R 4的值；(2)当△Z=10时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值; （3)用相量图表明输出电压sc U •与输入电压sr U •之间的相位差。
传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器：
利用线圈自感量的变化来实现测量的。
铁芯
传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部
线圈
分组成。
工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如
硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分
与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生
3
差动变
2 截面式
4
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
§4.1 变磁阻式电感传感器
六、自感式传感器的等效电路
L U L2
~
I
C
U
Z1
2
A
U 2
Z2
U 0
D
B
U o
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
Z Z
U 2
L U L2
当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。
§4.1 变磁阻式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
2、变压器式交流电桥
§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
三种基本类型： 在实际使用中，常采用两个相同的传感线
圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
44
3
差动结构的特点：
（1）改善线性、提高灵敏度外；
（2）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
传感器与检测技术第二版胡向东著
L1 弹簧
测量杆 工件
衔铁 L2
线圈2 铁芯2
R
U
U o
R
电感测微仪 返回
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4.2 差动变压器 电感式传感器
将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为互 感式传感器。这种互感传感器是根据变压器的基本原理 制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变 压器式传感器，简称差动变压器。在这种传感器中，一 般将被测量的变化转换为变压器的互感变化，变压器初 级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电动势。
L N 2 N 20 A0
Rm
2
（4-6）
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L N 2 N 20 A0
Rm
2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁
路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化， 因此变磁阻电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感
器和变气隙面积A0的传感器。
目前使用最广泛的是变气隙厚度电感式传感器。
N 20S 2(0 )
N 20S ( 0 0 ) 20 0 0
2L0
0
1
1
(
)2
0
电感的相对变化量为
L L0
2
0
1
1
(
)2
0
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当 1 时，上式用泰勒级数展开成级数形式为
0
L L0
2
0
1
(
0
)2
（ 0
）4 （ 0
）8
＜ 3
非线性：
L / L0
2
0
2
L /
L0
0
灵敏度：忽略高次项
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电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
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220V
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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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10
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L N2 N2 Rm Rm1 Rm0
Rm1 Rm 0
11
L N2 Rm0
Rm0
2 0 0 A
R l
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1. 变压器式交流电桥
变压器式交流电桥测量电路如图 3- 5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。当负截阻抗为无 穷大时, 桥路输出电压
U
Z2 U
U Z2 Z1 U
Z1 Z2 2 Z1 Z2 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有 U 0=0,
第4章 电感式传感器
一、教学目标 1、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。
二、教学重点和难点 1、重点：电感式传感器的工作原理和应用。 2、难点：电感式传感器的测量电路。
性
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。
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4.1.2 自感式传感器的测量转换电路
利用电磁感应原理将被测非电量 如位移、压力、流量、 振动等转换 成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变 化量输出, 这种装置称为电感式传感 器。
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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, 其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范 围相互制约, 传感器自身频率响应低, 不适用 于快速动态测量。
由上式可知理论上电感量L与气隙截面
积A成正比。
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3.螺线管式
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
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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
判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。
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相敏检波电路
当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少 。
这时当电源u上端为正，下端为负时，VD1、VD4导通，电阻R1 上的压降大于R2上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负；
当u上端为负，下端为正时， VD2、VD3导通，R1上压降则大 于R2上的压降，电压表V输出上端为负，下端为正。
三、教学学时
6学时
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电磁感应原理
因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭 合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感 线的运动时，导体中就会产生电流，这种 现象叫电磁感应。
公式的来历：
U L di dt
E n n
t t t t
Li
E Li L i L di t t dt
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测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成 电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅 采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移 的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。
如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别 相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（幅 值），还可以反映位移的方向（相位）。这种检波 电路称为相敏检波电路。
变截面式
螺线管式
14
1.变隙式
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。
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2.变截面式
L N 20 A 2
图4-4 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
s
L 0 AN 2 20
电感量计算公式 ：
L N 20 A 20
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； o ：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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自感式电感传感器常见的形式
变隙式
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式，这样既可以提高传感器的灵敏度， 又可以减小测量误差。
差动电感传感器的特点
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
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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。
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曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特
电桥平衡。
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图4-7变压器式交流电桥
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当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ
U0
U
Z
U
L
2Z 2L
当传感器衔铁下移时, 此时Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ
U0
U
Z
U
L
2Z 2L
从上两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大
小相等, 但方向(相位)相反, 由于 是U交0 流电压, 输出指示无法
这种传感器能实现信息的远距离传输、记
录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被广 泛采用。
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（互感式）、电 涡流式传感器这三大类传感器。
4.1 自感式传感器
4.1.1 自感式传感器的工作原理
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。