传感器与检测技术_第3章变电抗式传感器
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传感器与检测技术_第三章
2021/8/7
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结构
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。
1—测杆 2—衔铁 3—线圈
2021/8/7
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特性
从输出特性曲线（如 图4-5所示）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。
于其感抗
当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
•
Uo
L 2L0
•
U2
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量 电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量 的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压 与电感变化量呈线性关系。
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2．带相敏整流的交流电桥
上述变压器式交流电桥中，由于采用交 流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 即无法判别位移的方向。
交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和 Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂 可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。
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1．变压器交流电桥
电桥有两臂为传感 器的差动线圈的阻 抗，所以该电路又 称为差动交流电桥
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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3.1.2 自感式传感器的测量电路
自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化 转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。
第3章-变电抗式传感器
磁路欧姆定律 传感器电感量计算：
LW2
线圈匝数
δ
Rm
线圈自感
磁路总磁阻
3.1.1 工作原理
自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过 一定的转换电路转换成电压或电流输出。
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 测量电路
电压或电流 （电信号）
3.1.1 工作原理
空载输出电压
u0 (u/2 )(Δ Z/Z )
两种情况的输出交流电压大小相等，方向相反， 即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的 相位，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏 检波电路。
3.1.5 自感式传感器测量电路
(2) 相敏检波电路
差动衔铁处于中间位置：
Z1=Z2=Z, U0=0; Z2增加，Z1减小时，u 上正下负（蓝），R2压 降大于R1压降；u上负下 正（红），R2压降小于 R1压降。电压表输出上 负下正。
Z2减小，Z1增加时，u上正下负（蓝），R2压降小于R1 压降；u上负下正（红），R2压降大于R1压降。电压表输 出上正下负。
3.1.5 自感式传感器测量电路
电路作用：辨别衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小， U0的极性反映位移的方向。
非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (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，
0
代入式（3.1.6）式并整理得
LL0L2(W 020S)1L0 0
3.1.2 变气隙式自感传感器
/01 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式
LL0LL01 0 0 2
LW2
线圈匝数
δ
Rm
线圈自感
磁路总磁阻
3.1.1 工作原理
自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过 一定的转换电路转换成电压或电流输出。
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 测量电路
电压或电流 （电信号）
3.1.1 工作原理
空载输出电压
u0 (u/2 )(Δ Z/Z )
两种情况的输出交流电压大小相等，方向相反， 即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的 相位，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏 检波电路。
3.1.5 自感式传感器测量电路
(2) 相敏检波电路
差动衔铁处于中间位置：
Z1=Z2=Z, U0=0; Z2增加，Z1减小时，u 上正下负（蓝），R2压 降大于R1压降；u上负下 正（红），R2压降小于 R1压降。电压表输出上 负下正。
Z2减小，Z1增加时，u上正下负（蓝），R2压降小于R1 压降；u上负下正（红），R2压降大于R1压降。电压表输 出上正下负。
3.1.5 自感式传感器测量电路
电路作用：辨别衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小， U0的极性反映位移的方向。
非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (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，
0
代入式（3.1.6）式并整理得
LL0L2(W 020S)1L0 0
3.1.2 变气隙式自感传感器
/01 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式
LL0LL01 0 0 2
合肥工业大学传感器与检测技术(陈荣保)期末复习资料
3-13、电涡流传感器器有何特点? 特点是⻓长期工工作可靠性好、灵敏敏度高高、抗干干扰能力力力强、非非接触测量量、响应速度快、不不受油水水等介质 的影响
3-16、自自感式传感器器、差动变压器器式传感器器、电涡流式传感器器和电容式传感器器的最基本测量量量量是位移。请从测 量量原理理、测量量范围、测量量精度，测量量特点和测量量电路路这几几方方面面，对这几几种传感器器测量量位移进行行行比比较。 自自感式传感器器 测量量原理理
1.自自动⻔门，利利用用人人体的红外微波来开关⻔门
2.烟雾报警器器，利利用用烟敏敏电阻来测量量烟雾浓度，从而而达到报警目目的
3.手手机，数码相机的照相机，利利用用光学传感器器来捕获图象
设计出2、3、4线制的电桥以及恒流源电桥：
张力力力传感器器工工作原理理： 按其工工作原理理可分为应变片片型和微位移型。应变片片型是张力力力应变片片和压缩应变片片按照电桥方方式连接 在一一起，当受到外压力力力时应变片片的电阻值也随之改变，改变值的多少将正比比于所受张力力力的大大小小；微 位移型是通过外力力力施加负载，使板簧产生生位移，然后通过差接变压器器检测出张力力力，由于板簧的位移 量量极小小，大大约±200μm，所以称作微位移型张力力力检测器器。另外，由外型结构上又又分为：轴台式 、穿 轴式、悬臂式等。
金金金属应变片片的优点：1、结构简单频率特性好 2、价格低廉品种多样 3、可在高高(低)温、高高速、高高压、 强烈烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工工作 缺点：具有非非线性，输出信号微弱， 抗干干扰能力力力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量量一一点或应变栅范围内的平均应变，不不能 显示应力力力场中应力力力梯度的变化等；不不能用用于过高高温度场合下的测量量。
3-3、请比比较自自感式传感器器和差动变压器器式传感器器的异同。 自自感式传感器器与差动变压器器式传感器器相同点：
3-16、自自感式传感器器、差动变压器器式传感器器、电涡流式传感器器和电容式传感器器的最基本测量量量量是位移。请从测 量量原理理、测量量范围、测量量精度，测量量特点和测量量电路路这几几方方面面，对这几几种传感器器测量量位移进行行行比比较。 自自感式传感器器 测量量原理理
1.自自动⻔门，利利用用人人体的红外微波来开关⻔门
2.烟雾报警器器，利利用用烟敏敏电阻来测量量烟雾浓度，从而而达到报警目目的
3.手手机，数码相机的照相机，利利用用光学传感器器来捕获图象
设计出2、3、4线制的电桥以及恒流源电桥：
张力力力传感器器工工作原理理： 按其工工作原理理可分为应变片片型和微位移型。应变片片型是张力力力应变片片和压缩应变片片按照电桥方方式连接 在一一起，当受到外压力力力时应变片片的电阻值也随之改变，改变值的多少将正比比于所受张力力力的大大小小；微 位移型是通过外力力力施加负载，使板簧产生生位移，然后通过差接变压器器检测出张力力力，由于板簧的位移 量量极小小，大大约±200μm，所以称作微位移型张力力力检测器器。另外，由外型结构上又又分为：轴台式 、穿 轴式、悬臂式等。
金金金属应变片片的优点：1、结构简单频率特性好 2、价格低廉品种多样 3、可在高高(低)温、高高速、高高压、 强烈烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工工作 缺点：具有非非线性，输出信号微弱， 抗干干扰能力力力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量量一一点或应变栅范围内的平均应变，不不能 显示应力力力场中应力力力梯度的变化等；不不能用用于过高高温度场合下的测量量。
3-3、请比比较自自感式传感器器和差动变压器器式传感器器的异同。 自自感式传感器器与差动变压器器式传感器器相同点：
《变电抗式传感器》课件
通过改进传感器的结构设 计、优化材料性能和提升 制造工艺，实现更高的测 量精度和分辨率。
智能化
集成多种传感器和微处理 器，实现传感器自校准、 自补偿和自诊断功能，提 高测量准确性和可靠性。
应用拓展
医疗健康
应用于生物医学领域，如生理信 号监测、药物浓度检测等，为医 疗诊断和治疗提供支持。
环境监测
用于大气、水质、土壤等环境参 数的实时监测，为环境保护和治 理提供数据支持。
2023-2026
END
THANKS
感谢观看
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REPORTING
优点
结构简单
变电抗式传感器结构简单，主要由线 圈和铁芯组成，易于制造和维护。
灵敏度高
由于线圈和铁芯之间的相互作用，变 电抗式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化。
线性范围广
变电抗式传感器的输出与输入之间呈 线性关系，因此测量范围较广，适用 于多种应用场景。
响应速度快
由于其结构简单，变电抗式传感器的 响应速度较快，能够快速地响应被测 量的变化。
环境监测领域应用
总结词
在环境监测领域，变电抗式传感器广泛应用于空气质量、水质和土壤成分的监 测。
详细描述
通过变电抗式传感器，环境监测系统能够实时检测和记录各种环境参数，如 PM2.5、氧气含量、PH值等，为环境保护和治理提供科学依据。
医学领域应用
总结词
在医学领域，变电抗式传感器主要用于医疗设备和仪器的监测与控制。
随着物联网技术的发展，传感器在智能设备和系统中的应用 越来越重要，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
PART 02
变电抗式传感器原理
工作原理
01
02
03
智能化
集成多种传感器和微处理 器，实现传感器自校准、 自补偿和自诊断功能，提 高测量准确性和可靠性。
应用拓展
医疗健康
应用于生物医学领域，如生理信 号监测、药物浓度检测等，为医 疗诊断和治疗提供支持。
环境监测
用于大气、水质、土壤等环境参 数的实时监测，为环境保护和治 理提供数据支持。
2023-2026
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优点
结构简单
变电抗式传感器结构简单，主要由线 圈和铁芯组成，易于制造和维护。
灵敏度高
由于线圈和铁芯之间的相互作用，变 电抗式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化。
线性范围广
变电抗式传感器的输出与输入之间呈 线性关系，因此测量范围较广，适用 于多种应用场景。
响应速度快
由于其结构简单，变电抗式传感器的 响应速度较快，能够快速地响应被测 量的变化。
环境监测领域应用
总结词
在环境监测领域，变电抗式传感器广泛应用于空气质量、水质和土壤成分的监 测。
详细描述
通过变电抗式传感器，环境监测系统能够实时检测和记录各种环境参数，如 PM2.5、氧气含量、PH值等，为环境保护和治理提供科学依据。
医学领域应用
总结词
在医学领域，变电抗式传感器主要用于医疗设备和仪器的监测与控制。
随着物联网技术的发展，传感器在智能设备和系统中的应用 越来越重要，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
PART 02
变电抗式传感器原理
工作原理
01
02
03
传感器与传感器技术课后答案
《传感器与传感器技术》计算题答案第1章传感器的一般特性1—5 某传感器给定精度为2%F·S，满度值为50mV，零位值为10mV，求可能出现的最大误差(以mV计)。
当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。
由你的计算结果能得出什么结论解：满量程（F▪S）为50﹣10=40(mV)可能出现的最大误差为：m＝402%=(mV)当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为：1—6 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数和静态灵敏度K。
（1）式中, y——输出电压，V；T——输入温度，℃。
（2）式中，y——输出电压，V；x——输入压力，Pa。
解：根据题给传感器微分方程，得（1）τ=30/3=10(s)，K=105/3=105(V/℃)；(2) τ==1/3(s)，K==(V/Pa)。
1—7已知一热电偶的时间常数=10s，如果用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540℃至500℃之间接近正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度K=1。
试求该热电偶输出的最大值和最小值。
以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。
解：依题意，炉内温度变化规律可表示为x(t) =520+20sin(t)℃由周期T=80s，则温度变化频率f=1/T，其相应的圆频率=2f=2/80=/40；温度传感器（热电偶）对炉内温度的响应y(t)为y(t)=520+Bsin(t+)℃热电偶为一阶传感器，其响应的幅频特性为因此，热电偶输出信号波动幅值为B=20A()==15.7℃由此可得输出温度的最大值和最小值分别为y(t)|=520+B=520+=535.7℃y(t)|=520﹣B==504.3℃输出信号的相位差为(ω)= arctan(ω)= arctan(2/8010)=相应的时间滞后为t =1—8 一压电式加速度传感器的动态特性可以用如下的微分方程来描述，即式中，y——输出电荷量，pC；x——输入加速度，m/s2。
传感器与检测技术课件第三章
数据分析
采用图表、公式等方法对实验数据进 行分析，得出传感器的性能参数。
结果讨论
根据实验结果，对传感器的性能进行 评估和讨论，提出改进意见或建议。
THANKS
感谢观看
01
02
03
测量误差来源
包括传感器误差、信号调 理电路误差、数据采集误 差等。
误差分类
分为系统误差、随机误差 和粗大误差三类。
数据处理方法
包括算术平均值法、加权 平均值法、最小二乘法等， 用于减小误差和提高测量 精度。
信号调理电路设计
放大电路
用于放大传感器输出的 微弱信号，提高信号的
幅度。
滤波电路
光电倍增管
在光电管的基础上，通过多级倍增电极放大 光电流，提高灵敏度。
光电二极管和三极管
利用半导体材料的光电效应，将光信号转换 为电流或电压信号进行测量。
04
传感器在各个领域应用举例
工业自动化领域应用
生产线自动化
利用传感器监测生产线上物料、 设备状态，实现自动化控制和优
化调度。
过程控制
通过传感器实时监测工艺流程中 的温度、压力、流量等参数，确
等。
实验步骤和注意事项
选择合适的传感器
根据实验需求和目的，选择适合的传感器类型。
搭建检测系统
按照实验指导，正确连接传感器、信号调理电路和数据采集设备， 搭建完整的检测系统。
系统调试
在搭建完成后，进行系统调试，确保各部分正常工作。
实验步骤和注意事项
01
02
03
04
性能测试
按照实验要求，对传感器进行 性能测试，记录实验数据。
06
实验环节：搭建简易检测系统并 测试性能参数
检测与控制电路基础传感器与测试系统Unit3电抗式传
检测电路分类
无论何种检测方法，其核心都是借助 于专用测量电路来检测微小的电容值， 并将其转换为与其成正比的电压或频 率信号（有时也可转换为脉冲宽度），即 进行C/F转换或C/ V转换。
一般来说，电容式传感器的电容值都比较小， 所以检测电路的工作频率一般需要高一些，使电 容传感器的阻抗尽可能小一些。典型的阻抗为1 ~ l00MΩ。理想情况下，工作频率应该高到可有效 屏蔽电源的交流干扰以及保证传感器有足够的动 态响应速度的程度。 一般来说，达到50kHz即可接受。当然，工 作频率也不能太高，那样会给检测电路的设计及 实现带来困难。 基于CMOS开关电路的检测电路一般不应高 于100kHz。
2. 交流电桥
电桥配置： Z1= Z0(1 +x)、 Z2 = Z3 = Z4 = Z0 输出电压
注意：输出电压与x非线性
1. 双臂电桥电路的优点：可消除对两个传感器 元件同时出现的一些变化（如温度影响） 2. 另2个固定桥臂可以是电感、电阻、电容等。 3. 对于传感器阻抗较大的桥路，如另2臂采用电 阻，会因为寄生阻抗导致显著误差
检测与控制电路基础 第3章 传感器与测试系统
Unit3 电抗式传感器检测电路
3.4.2 变阻抗式传感器检测电路
火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变 化。
油管检测
电抗测量的基本问题
变电抗式传感器一般有如下几种情况： (1).单一变化的电容或电感 Co±ΔC 或 Lo±ΔL; (2).变化电感加上参考电感 L0±ΔL, L0 （例如，电涡流接近传感器的情况） (3).差动电容或电感 Co+ΔC与Co-ΔC, 或Lo + ΔL与Lo-ΔL
3.交流式检测电路
具有测量速率快、抗杂散电容的能力,还具有电荷注入效应小、 低漂移等特点
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。
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3 变电抗式传感器
传感器与检测技术
1
本章内容 3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电涡流式传感器 3.4 电容式传感器
传感器与检测技术
2
F
传感器与检测技术
准备工作
220V
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
传感器与检测技术
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
U
C ＋U
－2 ＋U
1/2阻抗。 当负载阻抗为无
－2 D
穷大时， 桥路输出电压 ：
Z1
＋A Z2 U o
－ B
Uo
Z2 Z1 Z2
U
1U 2
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
电桥平衡点？
当传感器的衔铁处于中间位置(Z1=Z2=Z)，此时有电桥平衡。
传感器与检测技术
当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
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。
传感器与检测技术
差动变隙式电感传感器
1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
0
4
传感器与检测技术
13
对上式进行线性处理，即忽略高次项得
1、工作原理
铁芯和衔铁由导磁材料制成，在铁芯 和衔铁之间有气隙，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
铁芯 线圈
时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变
δ
化，从而导致电感线圈的电感量变化。
线圈中电感量：
衔铁
Δδ
W W 2 L
I I Rm
Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯； I——通过线圈的电流，单位：安培；
灵敏度k0为
k0
L / L0
2
0
L
2
L0
0
（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的
两倍。
（2）单线圈是忽略
0
以2 上高次项，差动式是忽略
0
3以
上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
传感器与检测技术
14
2）变面积式自感传感器
传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量
线圈匝数
总磁阻
传感器与检测技术
6
气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略
磁路磁损， 则磁路总磁阻为
Rm
l1
1S1
l2
2S2
2 0S0
l ——各段导磁体的长度；
μ——各段导磁体的磁导率； S ——各段导磁体的截面积； δ——空气隙的厚度；
通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,因此
Rm
2 0 s0
高的场合。
传感器与检测技术
24
(2) 谐振式调频电路
f
CL
G
f
传感器自感变化将引起输出电压频率
的变化 :
0
L
f 1/ 2 LC
灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合
传感器与检测技术
25
(3) 谐振式调相电路
传感器电感变化将引起输出电压相位变化
2 arctan(L / R)
传感器与检测技术
K U 2 W2 U1
W1 0
结论：
减 高 是 要 愈定 下 难 在1定高但和小从求少; 不）2零工做得愈忽变δ以要，可）3论0供好都点略隙）艺到到增及以电以从。能边式残电加以上 这的允变源灵提缘使差W余电上严 一，敏许压幅高磁灵动2电/源结格 点而W度温器值通敏变灵压1考果对实，首考的压度升铁的敏;虑虑比是称器际所K先为芯适度，值，值的在前上以要条不当K均提和还δ假提很存值0件稳饱提，;
传感器与检测技术
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非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (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,还 能反映衔铁位移的方向，同时还能消除零点残余电压的影响。
传感器与检测技术
23
3、谐振式测量电路
(1) 谐振式调幅电路
L0—谐振点的电感值
电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不
3）螺线管式自感传感器
传感器与检测技术
1-螺线管线圈Ⅰ
2-螺线管线圈Ⅱ 3-骨架
自学，不要求！
4-活动铁芯
3、自感式传感器测量电路
1）交流电桥式电路 2）变压器电路 3）谐振式电路
传感器与检测技术
17
1）交流电桥式电路
传感器的两线圈作为电桥的两相
邻桥臂Z1和Z2，另两个相邻桥臂为纯 电阻R。设Z是衔铁在中间位置时单个
圈
2
3
次
级
线
圈
4
传感器与检测技术
1、变隙式差动变压器
1）工作原理
在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的 两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。
两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。
当被测体没有位移时衔铁处于初始平衡位置，与两个铁
芯的当间被隙测相体等有，位则移两时绕衔组铁的的互位感置相发等生，变则化两，个两次次级级绕绕组组的的互互
电感式传感器的定义 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。
电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。
电感式传感器的种类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变
压器式）、电涡流式三种； 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。
传感器与检测技术
5
3.1 自感式传感器
为兼顾测量范围的需要 ，一般选择传感器的δ0为0.5 mm。
传感器与检测技术
33
零点残余电压
要努力消除！
（1）零点残余电压产生原 因
零点残余电压主要由基波分 量和高次谐波分量组成。
（2）零点残余电压危害：
▪ 使①传两感电器感输线出圈的特电性气在参零数点及附导磁近体的几范何围尺内寸不不完灵全敏对，称 ，限在制两着电感分线辨圈力上的的提电高压。幅值和相位不同，从而形成零点残
全 波 电 压 输 出
半 波 电 流 输 出
全 波 电 流 输 出
传感器与检测技术
• 全波电压输出差动整流电路
差动变压器的两个 次级输出电压分别全波 整流，整流电压的差值 作为输出，适用于交流 阻 抗 负 载 。 电 阻 R0 用 于 调整零点残余电压。
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，整流电路的输出电压为
电动势不为零。
在传感器的量程内，活动
铁心位移越大，差动变压器输
出电动势就越大。 当活动铁心移向次级绕组L2b边，差动输出电动势仍不为
零，但移动方向改变，输出电动势反相。
差动变压器输出电动势的大小和相位可知道活动铁心 位移的大小和方向。
传感器与检测技术
36
2）应用电路——差动整流电路
半 波 电 压 输 出
1）工作原理
次级线圈1
设差动由变初压级器线中圈初级，线两圈
衔铁
的匝数个为次W1级，线两圈个和次插级线入圈线的
壳体
匝数分圈别中为央W的1a和圆W柱1b。形当铁初芯级 初级线圈
绕组加等以组激成励。电两压个时次，根级据线变
骨架
压器的圈工反作向原串理联，，在构两个成次差级 次级线圈2
绕组中动便式会。产生感应电势。
线 圈 的 复 阻 抗 ， ΔZ1 、 ΔZ2 分 别 是 衔 铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化
量，则
Z 1
Z ＝R 3
Z 2
U o
Z＝R 4
Z1=Z+ΔZ Z2=Z-ΔZ
Z=R+jωL
U
高品质因数Q=ωL/R的电感式传感器，线圈的电感远远
大于线圈的有功电阻，即ωL>>R，则有
ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)
L L0 L
L
L0
L
W 20s0 2( 0 )
L0
1
0
传感器与检测技术
特性曲线：L与δ是非线性关系
当 / 0 1 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：
L
L0
L
L0
1
0
0
2
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
传感器与检测技术
同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有
▪余电零压点的残基余波电分量压。太大，将使线性度变坏，灵敏度下 滞余降致电损②使，压耗的仪）甚传高，器感至次使器不会谐激导再使波励磁反放分电材映量大流料。被与磁器测磁化饱通量曲和波线的，形的变堵不非化一线塞。致性有，（用从如信而铁号形磁成饱通零和过点、，残磁
传感器与检测技术
34
2、螺线管式差动变压器
传感器与检测技术
3.2 差动变压器
互感式传感器 ——被测的非电量变化转换为线圈互感变化
的传感器。
工作原理类似于变压器，次级
绕组用差动形式连接。
初、次级绕组的耦合能随衔铁
M
的移动而变化，即绕组间的互感
随被测位移的改变而变化。
基本种类：
初1
变隙式、变面积式、螺线管式等。
级 线
应用最多的是螺线管式差动变压器。
Δ 2(L / R) Δ L 1 (L / R)2 L
传感器与检测技术
1
本章内容 3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电涡流式传感器 3.4 电容式传感器
传感器与检测技术
2
F
传感器与检测技术
准备工作
220V
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
传感器与检测技术
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
U
C ＋U
－2 ＋U
1/2阻抗。 当负载阻抗为无
－2 D
穷大时， 桥路输出电压 ：
Z1
＋A Z2 U o
－ B
Uo
Z2 Z1 Z2
U
1U 2
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
电桥平衡点？
当传感器的衔铁处于中间位置(Z1=Z2=Z)，此时有电桥平衡。
传感器与检测技术
当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
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。
传感器与检测技术
差动变隙式电感传感器
1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
0
4
传感器与检测技术
13
对上式进行线性处理，即忽略高次项得
1、工作原理
铁芯和衔铁由导磁材料制成，在铁芯 和衔铁之间有气隙，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
铁芯 线圈
时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变
δ
化，从而导致电感线圈的电感量变化。
线圈中电感量：
衔铁
Δδ
W W 2 L
I I Rm
Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯； I——通过线圈的电流，单位：安培；
灵敏度k0为
k0
L / L0
2
0
L
2
L0
0
（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的
两倍。
（2）单线圈是忽略
0
以2 上高次项，差动式是忽略
0
3以
上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
传感器与检测技术
14
2）变面积式自感传感器
传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量
线圈匝数
总磁阻
传感器与检测技术
6
气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略
磁路磁损， 则磁路总磁阻为
Rm
l1
1S1
l2
2S2
2 0S0
l ——各段导磁体的长度；
μ——各段导磁体的磁导率； S ——各段导磁体的截面积； δ——空气隙的厚度；
通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,因此
Rm
2 0 s0
高的场合。
传感器与检测技术
24
(2) 谐振式调频电路
f
CL
G
f
传感器自感变化将引起输出电压频率
的变化 :
0
L
f 1/ 2 LC
灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合
传感器与检测技术
25
(3) 谐振式调相电路
传感器电感变化将引起输出电压相位变化
2 arctan(L / R)
传感器与检测技术
K U 2 W2 U1
W1 0
结论：
减 高 是 要 愈定 下 难 在1定高但和小从求少; 不）2零工做得愈忽变δ以要，可）3论0供好都点略隙）艺到到增及以电以从。能边式残电加以上 这的允变源灵提缘使差W余电上严 一，敏许压幅高磁灵动2电/源结格 点而W度温器值通敏变灵压1考果对实，首考的压度升铁的敏;虑虑比是称器际所K先为芯适度，值，值的在前上以要条不当K均提和还δ假提很存值0件稳饱提，;
传感器与检测技术
22
非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (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,还 能反映衔铁位移的方向，同时还能消除零点残余电压的影响。
传感器与检测技术
23
3、谐振式测量电路
(1) 谐振式调幅电路
L0—谐振点的电感值
电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不
3）螺线管式自感传感器
传感器与检测技术
1-螺线管线圈Ⅰ
2-螺线管线圈Ⅱ 3-骨架
自学，不要求！
4-活动铁芯
3、自感式传感器测量电路
1）交流电桥式电路 2）变压器电路 3）谐振式电路
传感器与检测技术
17
1）交流电桥式电路
传感器的两线圈作为电桥的两相
邻桥臂Z1和Z2，另两个相邻桥臂为纯 电阻R。设Z是衔铁在中间位置时单个
圈
2
3
次
级
线
圈
4
传感器与检测技术
1、变隙式差动变压器
1）工作原理
在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的 两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。
两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。
当被测体没有位移时衔铁处于初始平衡位置，与两个铁
芯的当间被隙测相体等有，位则移两时绕衔组铁的的互位感置相发等生，变则化两，个两次次级级绕绕组组的的互互
电感式传感器的定义 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。
电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。
电感式传感器的种类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变
压器式）、电涡流式三种； 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。
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3.1 自感式传感器
为兼顾测量范围的需要 ，一般选择传感器的δ0为0.5 mm。
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零点残余电压
要努力消除！
（1）零点残余电压产生原 因
零点残余电压主要由基波分 量和高次谐波分量组成。
（2）零点残余电压危害：
▪ 使①传两感电器感输线出圈的特电性气在参零数点及附导磁近体的几范何围尺内寸不不完灵全敏对，称 ，限在制两着电感分线辨圈力上的的提电高压。幅值和相位不同，从而形成零点残
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• 全波电压输出差动整流电路
差动变压器的两个 次级输出电压分别全波 整流，整流电压的差值 作为输出，适用于交流 阻 抗 负 载 。 电 阻 R0 用 于 调整零点残余电压。
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，整流电路的输出电压为
电动势不为零。
在传感器的量程内，活动
铁心位移越大，差动变压器输
出电动势就越大。 当活动铁心移向次级绕组L2b边，差动输出电动势仍不为
零，但移动方向改变，输出电动势反相。
差动变压器输出电动势的大小和相位可知道活动铁心 位移的大小和方向。
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2）应用电路——差动整流电路
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1）工作原理
次级线圈1
设差动由变初压级器线中圈初级，线两圈
衔铁
的匝数个为次W1级，线两圈个和次插级线入圈线的
壳体
匝数分圈别中为央W的1a和圆W柱1b。形当铁初芯级 初级线圈
绕组加等以组激成励。电两压个时次，根级据线变
骨架
压器的圈工反作向原串理联，，在构两个成次差级 次级线圈2
绕组中动便式会。产生感应电势。
线 圈 的 复 阻 抗 ， ΔZ1 、 ΔZ2 分 别 是 衔 铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化
量，则
Z 1
Z ＝R 3
Z 2
U o
Z＝R 4
Z1=Z+ΔZ Z2=Z-ΔZ
Z=R+jωL
U
高品质因数Q=ωL/R的电感式传感器，线圈的电感远远
大于线圈的有功电阻，即ωL>>R，则有
ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)
L L0 L
L
L0
L
W 20s0 2( 0 )
L0
1
0
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特性曲线：L与δ是非线性关系
当 / 0 1 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：
L
L0
L
L0
1
0
0
2
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
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传感器与检测技术
同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有
▪余电零压点的残基余波电分量压。太大，将使线性度变坏，灵敏度下 滞余降致电损②使，压耗的仪）甚传高，器感至次使器不会谐激导再使波励磁反放分电材映量大流料。被与磁器测磁化饱通量曲和波线的，形的变堵不非化一线塞。致性有，（用从如信而铁号形磁成饱通零和过点、，残磁
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2、螺线管式差动变压器
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3.2 差动变压器
互感式传感器 ——被测的非电量变化转换为线圈互感变化
的传感器。
工作原理类似于变压器，次级
绕组用差动形式连接。
初、次级绕组的耦合能随衔铁
M
的移动而变化，即绕组间的互感
随被测位移的改变而变化。
基本种类：
初1
变隙式、变面积式、螺线管式等。
级 线
应用最多的是螺线管式差动变压器。
Δ 2(L / R) Δ L 1 (L / R)2 L