第四章电感式传感器
04bP40第四章24电感电容压电传感器lpj
线圈
线圈
铁芯
特点：灵敏度更低，但测量范围大，线 性也较好，同时还具备自由行程可任意安 排，制造装配方便等，其应用比较广泛。
5
第四章 常用传感器原理及应用 以上三种类型的自感式传感器在实际应用时，一般由两单一 结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构除了 可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压及温度变化等外 界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。
10
第四章 常用传感器原理及应用
案例：张力测量
11
第四章 常用传感器原理及应用
三、电涡流式传感器
原理:将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电， 这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。
使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化
高频交 变电流
线圈
交变磁 通φ
电涡流
交变磁 通φ1
12
第四章 常用传感器原理及应用
2 3l C ln(R r )
中间介质的介电常数
液体浸没长度，即电极长度
绝缘覆盖层外半径
★ 电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路， 调频电路，运算放大器电路等。 ★ 电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等 ★ 影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容和温 度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很高，但 随着集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的影响 大为减小，为电容传感器的应用开辟了广阔的前景。 26
(a)
(b)
(c)
差动式电感传感器 (a) 变间隙型 (b) 变面积型 (c) 螺管型 1—线圈 2 —铁芯 3 —衔铁 4 —到杆
6
第四章 常用传感器原理及应用
传感器原理与应用
《传感器原理与应用》 , 第58页第四章电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应把铰测的物理量加位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数人或互感系数AJ的变化，再由涵量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器具有以下特点：(1)结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长；(2)灵敏度和分辨率高，能测出0．01Pm酌位移变化。
传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；(3)线性度和重复性都比较好，在一定位移范围几十微米至数毫米内．传感器非线性误差可做到0．05％一0．1％，并且稳定性也较好。
同时．这种传感器能实现信息的远距离传辖、记录、显示和控制，它在上业自动控制系统中广泛被采用；但是它台频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。
变磁阻式传感器变磁阻式传感器的结构如图4—1所示。
它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
铁芯利衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。
在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为8。
传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气院厚度6发生变化，从而使磁路中磁配变化．导致电感线圈的电感值变化，这样可以籍以判别被tIg量的位移大小。
线圈的电感值L可按下列电工学公式计算：式中贝——线圈匝数；RN——单位长度上磁路的总磁阻磁路总磁阻可写为式中 Rf——铁芯磁阻；R6——空气气隙磁阻式(4—3)中第一项为铁芯磁阻v第二项为衔铁磁阻；Ll一一磁通通过铁芯助长度(m)；4l——铁芯横截面积(m’)；Al——铁芯材料的导磁率(H／m)；乙——磁通通过衔铁的长度(m)；A2——衔铁横截面积(m2)；A：——衔铁材料的导磁率(H／m)；j一—气隙厚度(m)；A一—气隙横截面积(m’)；P。
——空气的导磁率(4n×10“H／m)。
由于及f《Rj，常常忽略Rf，因此，可得线圈电感为《传感器原理与应用》 , 第59页由式(4—5)可知，当线圈匝数确定后，只要改变j和4均可导致电感的变化，因此v变碰阻式传感器又可分为变气隙厚度6的传原器和变气隙面积4的传感器。
《电感式传感器》课件
电感式传感器的应用领域
介绍电感式传感器在工业、农业、医疗等领域的广 泛应用。
电感式传感器的优缺点分析
分析电感式传感器的优点、缺点以及与其他类型传 感器的比较。
电感式传感器的应用案例
1
电感式传感器在工业领域的应用
案例
电感式传感器在农业领域的应用 案例
2
讲述一个实际案例，介绍电感式传感器 在工业生产中的应用。
介绍电感式传感器按照不同 的特征进行的分类。
电感式传感器的结构与工作原理
电感式传感器的结构
详细解释电感式传感器的内部结 构和组成。
电感式传感器的工作原理
阐述电感式传感器是如何通过测 量磁场来实现检测和转换的。
电感式传感器的特点
列举电感式传感器相对于其他传 感器的优势和特点。
电感式传感器的应用及优缺点
《电感式传感器》PPT课 件
为您带来《电感式传感器》的PPT课件，本课件将全面介绍电感式传感器的概 述、结构与工作原理、应用及优缺点、应用案例、未来发展趋势等内容。
概述
传感器的定义
介绍传感器的定义以及在技 术领域中的关键作用。
电感式传感器的作用
说明电感式传感器在各个行 业中的重要作用。
电感式传感器的分类
以一个具体的场景，说明电感式传感器 在农业领域中的应用价值。
电感式传感器的未来发展趋势
1 电感式传感器的现状和发展趋势
描述电感式传感器目前的研究状况以及未来的发展趋势。
2 展望电感式传感器的发展前景
展望电感式传感器在未来的应用领域和发展前景。
总结
电感式传感器的重要性
总结电感式传感器在各个领域中的重要作用。
发展趋势展望
回顾并展望电感式传感器的未来发展趋势。
第四章电感式传感器第一节自感式传感器
（2）变压器电桥
电桥的两个平衡臂为变压器的两个副边。电 桥的输出与前面交流电桥类似。
１、工作原理 气隙型电感传感器由线圈、铁芯和衔铁
组成，工作时，气隙厚度δ随衔铁运动而变
化，引起磁阻变化（故又称为磁阻式传感 器），从而导致电感变化而在线圈中产生感 应电动势。
线圈电感为：
式中，N 为线圈匝数； 为R m磁、工作原理
假设气隙磁场是均匀的，在忽略磁路铁损后， 磁路的总磁阻为:
式中， 为铁芯磁路总长， 为衔铁磁路总长，
δ为气隙厚度，
分别为铁芯、衔铁、真空磁导率， 分别为铁芯、衔铁、气隙的截面积。
一、变磁阻式电感传感器
１、工作原理
将总磁阻代入电感公式，得
由于
,则上式可简化为：
由公式可知，电感 L 是气隙截面积 A 和长 度δ 的函数。由此可制成两种类型的传感器：
变气隙型和变截面型。
第四章 电感式传感器
§4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器
第四章 电感式传感器
概述
【能量变换】属能量控制型传感器
第四章 电感式传感器
概述
【原理】是利用线圈自感和互感来实现非电量 的电测。
【用途】检测位移、振动、压力、应变、流量 和比重等
【类型】自感式、互感式和电涡流式。 【特点】结构简单、分辩率高、输出信号强、
１、单线圈型工作原理
（1）螺管内未插入铁芯时，螺管线圈的电感为
式中 r —— 螺管半径； l —— 螺管圈长度。
二、螺管型电感传感器
１、单线圈型工作原理
（2）当铁芯插入长度 lx 等于线圈长度 l 时，
线圈电感为:
二、螺管型电感传感器
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。
《电感式传感器》课件
战
新材料与新技术的应用
新材料
研究新型的敏感材料，如纳米材料、生物材料等，以 提高传感器的性能和稳定性。
新技术
引入新型的信号处理和数据处理技术，如人工智能、 机器学习等，以提高传感器的测量精度和响应速度。
提高测量精度与稳定性
优化设计
通过改进传感器的结构和设计，提高其测量精度和稳 定性。
误差补偿
采用误差补偿技术，减小或消除传感器测量过程中的误 差，提高测量精度。
03 电感式传感器的设计与优化
线圈材料与线圈结构
线圈材料
线圈材料的选择对电感式传感器的性 能有着重要影响。常用的线圈材料包 括铜、镍和铁等，它们具有不同的电 导率、磁导率和机械性能。
线圈结构
线圈的结构包括绕线方式、匝数、线 径等参数，这些参数直接影响着电感 式传感器的灵敏度和线性度。
磁芯材料与磁路设计
VS
互感优化
互感是电感式传感器中的一种干扰因素， 它会影响传感器的测量精度。优化互感的 方法包括合理安排线圈和磁芯的位置、采 用屏蔽措施等。
04 电感式传感器的实际应用案例
测量长度与位移的案例
总结词
在工业自动化生产线上，电感式传感器常被 用于测量长度和位移，以确保产品质量和生 产效率。
详细描述
电感式传感器利用电磁感应原理，通过测量 金属物体在磁场中的位移变化来检测长度和 位移量。这种传感器具有高精度、非接触、 长寿命等优点，广泛应用于金属材料、塑料 、纸张等产品的长度和位移检测。
测量电路与输出信号处理
总结词
电感式传感器需要配合适当的测量电路和输出信号处理方式，以获得准确的测量结果。
详细描述
电感式传感器输出的信号通常比较微弱，需要配合适当的测量电路和输出信号处理方式，如放大器、 滤波器、模数转换器等，以获得准确的测量结果。此外，为了减小误差和提高测量精度，还需要对电 感式传感器的输出信号进行误差补偿和校准。
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。
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l
所以，自感式传感器又可分为变间距式、变 面积式两类。
图4-l 自感式传感器原理图
退出
图4-2 自感式传感器原理图
退出
2. 特性分析：
1)变间距式： LLlN l20Sl/r
由于
l l
1(l1 /lr)
1 ，则有
L L l l 1 l 1 / l r 1 l l 1 l 1 / l r l l 1 l1 / l r 2
式中，r 、r c
的长度；
为 l c螺、管r c 、位铁移芯量的。半径；l 、l 为c 螺管、铁芯
所以，传感器灵敏度为：
42N 2
K l2
r1rc2 10 7
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；
变气隙型
螺管型
（a） 二节式
(b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式
设在磁心上绕有两个线圈Ｎ１、Ｎ２，一次侧线圈 通入激励电流，它将产生磁通，在二次侧线圈中产 生互感电势，其表达式为
U 0dΨ d1t2M dI1td
设 I1I1M ejt
则
ddI1tjI1Mejt
故
U 0jM I1
U U jL1
与变面积型自感传感器相比，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。
二、螺管型电感传感器
从结构形式上，可分为：单线圈和差动两类。带有
铁芯的螺管电感为： L L 4 2 N 2 l r 2 r 1 l c l c r c 2 / ( l 2 1 0 7 )
当衔铁向反方向移动时, Z 1 Z Z ,Z 2 Z Z
则
U0
UZ 2Z
4.2 差动变压器
► 4.2.1 工作原理 ► 4.2.2 结构和等效电路 ► 4.2.3 特性分析 ► 4.2.4 误差因素分析 ► 4.2.5 测量电路 ► 4.2.6 应用
4.2.1 结构和工作原理
变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的 一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称 变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。
第四章电感式传感器
第四章 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。
电感式传感器根据转换原理不同, 可分为自感式、互 感式两种；根据结构形式不同，可分为气隙型和螺管型两 种。
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。
4.2.2 等效电路
初级线圈的电流为：
I1 e 1 /R 1 jL 1
在次级线圈中感应出电压
e 2 1 jM 1 I 1
则输出为：
e 2 2 jM 2 I 1
e 2 e 2 1 e 2 2 jM 1 M 2 R 1 e 1 jL 1
则，幅值为：
e2
M1M2e1 R12 L12
Rs
ZP1 R 2sLC2j
L 12LC
则电感的相对变化为：
dLP 1 dL
LP 12LC L
四、测量电路 把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电 感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变 化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。 1. 1. 交流电桥
交流电桥的一般形式及等效形式
当电感线圈的品质因数
Q
L
r
很高时，U0
U L 2L
；
当电感线圈的品质因数 Q L
r
很低时，U0
U 2
r r
。
变压器电桥
初始平衡时, 双臂工作时, 可得:
U 0Z1Z2Z2U U 2 U Z2 Z1 2 Z1 Z2
Z1Z2Z U0 0
Z 1 Z Z ,Z 2 Z Z
U0
U 2
Z Z
e2
2M1e R12(L1)2
(1)铁芯处于中间位置 时,M1=M2=M,e2=0;
本章的主要内容 ► 4.1 自感式传感器 ► 4.2 差动变压器 ► 4.3 电涡流式传感器
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：
L N2 Rm
Rml11 S1l22 S2l0S
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。
所以，灵敏度为： 非线性误差为：
K lL lL 1l1 /lr
l
l
1l1/lr
图4-3 差动自感式传感器
退出
若采用差动形式：
灵敏度为：
K lL 2lL 1l1 /lr
非线性误差为：
(l
l
1l1 /lr)2
所以，差动形式的灵敏度提高一倍，非线性误差有 很大降低。
2)变面积型
LlN 2l/0r SKS
其中，K N20 为一常数。可见变面积式在忽
l l / r
略气隙边缘效应条件下，呈线性。
结论:
从提高灵敏度的角度看，初始空气隙距离应尽量 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。如采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。
交流电桥的两种实用形式 (a) 电阻平衡臂电桥 (b)变压器电桥
退出
为了提高灵敏度, 改善线性度, 电感线圈一般 接成差动形式. 设 Z1=Z2 =Z=r+jωL,
r1=r2=r, L1=L2=L, R1=R2=R.
工作时，Z1=Z＋ΔＺ, Z2=Z-ΔＺ,
U 0 U 2 (1 1 Q 1 2)Q 1 [2 rr L L jQ 1( L L rr)]
非线性误差大；量程有限制且较小，一般在气 隙的1/5以下，装配较困难。 ◆ 变面积式: 灵敏度较前者小，理论上为常数，线 性度好，量程较大，使用较广泛。 ◆ 螺管型: 量程大，灵敏度低，结构简单，便于制 作、装配，应用广泛。
三、电感线圈的等效电路 一个电感线圈的完整等效电路可用下图表示
当 L 1 时，等效阻抗为：