第3章电感式传感器原理及其应用详解
常用传感器工作原理(电感式)PPT课件
L L=f(A)
L=f(δ) δ, A
图4-2 变面积型电感传感器
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
图4-3 电感传感器特性
6
变 面 积
L N 20A 2
传感器灵敏度为：
k dL N 20 dA 20
式
变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系， 但这种传感器的灵敏度较低。
7
变
L N 20A
1
44
3
3
12 （a） 变气隙型
4 （c） 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
13
变气隙型差动式自感传感器
衔铁下移：
L
N 2 A 0
1 2( )
0
N 2 A
L
0
2 2( )
0
L1L01 0 0 2 0 3......
L2L01 0 0 2 0 3......
忽略高次项：K
2L0 0
1
3
2lc
x 2l
4
线圈Ⅰ
将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂
Δlc
r
线圈Ⅱ
差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器，磁路中相当部分
是空气，无明显的边界，因此分析复杂。主要特点是可构成较长 的线性区，用于测量大线位移。缺点是灵敏度比变气隙传感器低，
体积较大。
15
3）自感传感器测量电路-交流电桥：
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。
11
2）差动式自感传感器:
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，两个线圈的电气参数和几 何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提 高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可 以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。
电感式传感器的原理及应用
电感式传感器的原理及应用摘要：文章介绍了电感式传感器的原理及使用，并对常见的三种电感式传感器进行对比分析，最后通过工程中轴承滚珠分选实例论述了涡流式传感器的设计思路。
关键词：电感式传感器；滚珠分选；涡流式传感器1 前言传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成了一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。
传感器在产品检验和质量控制、系统安全经济运行监测、自动化生产与控制系统的搭建和推动现代科学技术的进步等方面均具有重要意义。
2 电感式传感器的原理与分类传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用于输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
可以完成检测和转换两个基本功能。
2.1工作原理电感式传感器是建立在电磁感应基础上，把输入的物理量转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化，并通过测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化，从而将非电量转换为电信号输出，实现对非电量的测量。
目前普遍采用交流电桥作为电感式传感器的测量转换电路，将传感器的电感改变转换为交流电压信号，经放大后向外输出[1]。
2.2分类电感式传感器按照转换方式的不同，可分为可变磁阻式（自感式）、差动变压器式和涡流式（互感式）等种类。
（1）变磁阻式传感器变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。
在铁心和衔铁间有气隙，当衔铁移动时气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。
通过测量电感量的变化就能确定衔铁位移量的大小和方向。
变磁阻式传感器主要用于测量微小位移，实际测量中广泛采用差动变隙式电感式传感器。
（2）差动变压器式传感器差动变压器式传感器是互感式传感器，其工作原理是利用电磁感应，将被测位移量的变化转换成变压器线圈的互感系数的变化，再由测量电路转成电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量的转换。
工业检测中，应用最为普遍的传感器是线性差动变压器（LVDT），用于测量机械位移，汽轮机主汽阀行程测量就是使用的LVDT，具有分辨率高、重复性高、线性度高、灵敏度高、使用寿命长且可靠性好等优点。
《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。
电感式传感器及其应用全文
电感式传感器及其应用3.1自感式传感器3.2差动变压器式电感式传感器 3.3电涡流式电感传感器3.4电感式传感器的应用电感传感器（Inductance sensor）利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感量或互感量的变化，进而由测量电路转换为电压或电流的变化量。
电感式传感器种类很多，主要有自感式、互感式和电涡流式三种。
可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量信号主要特点有：◆结构简单、工作可靠；◆灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化；◆测量精度高、零点稳定、输出功率较大；◆可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；主要缺点有：◆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。
3.1自感式传感器3.1.1传感器线圈的电气参数分析3.1.2自感式传感器3.1.3自感式传感器的误差3.1.1一.传感器线圈的电气参数分析如图，其为一种简单的自感式传感器，当衔铁随被测量变化而上、下移动时，其与铁心间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非量到电量的变换。
可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。
1 l0 2类似于上述自感式传感器，变磁阻式传感通常都具有铁心线圈或空心线圈(后者可视作前者特例)。
电路参数及其影响：1.线圈电感L由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为式中——磁路总磁阻(31)-m R mR W L /2=当线圈具有闭合磁路时－导磁体总磁阻当线圈磁路具有小气隙时式中——气隙总磁阻(32)-(33)-δR δR W L /2=F R F R W L /2=等效磁导率:即将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为μe ，磁通截面积为S，磁路长度为l式中——真空磁导率，＝4π×10-7(H/ｍ)2.铜损电阻 取决于导线材料及线圈的几何尺寸3.涡流损耗电阻由频率为ｆ的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。
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
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
第三章电感式传感器n
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
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用课件
衔铁上移，设Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，则
•
•
UZ UL
U0 2
Z
2
L
变压器电桥原理图
同理衔铁下移时 •
•
U0
-UZ-UL 2 Z 2 L 电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压U0大小
相等、方向相反，即相位互差180º，可反映衔铁移动的方向。 为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
假定电桥输出端的负载为无穷大, 则得输出电压
U sc Z U 1s rZ Z 1 2 Z U 3s rZ Z 3 4 (Z 1 Z 1 Z Z 4 2 ) (Z Z 3 2 Z 3 Z 4 )U sr
起始衔铁处于中间位置：
1 2 0
L1 L2 L0
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
一、差动变压器式传感器结构及原理
差动变压器式传感器, 简称差动变压器, 是一个有可动铁 芯和两个次级线圈的变压器。
传感器的可动铁芯和待测物相连, 两个次级线圈接成差 动形式, 可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电 动势的变化, 从而得到待测位移。
I1 Usr
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
四、测量电路 1、交流电桥
实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用, 这样既提高了灵敏度，又改善了线性度。
Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂
起始位置 衔铁处于中间，气隙相等，电桥平衡。
当衔铁偏离中间位置，两边气隙不 等，两只电感线圈的电感量一增一 减，电桥失去平衡。
电感式传感器与其应用传感器原理与其应用
第三章-电感式传感器传感器解析PPT课件
电涡流式传感器（变自感L）
.
12
§3.1 自感式传感器 §3.2 差动变压器 §3.3 电涡流传感器
.
13
§3.1 自感式(变磁阻)传感器
一、工作原理：
由2铁芯、1线圈、 3衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时，气 隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的 电感值变化。
阻远较气隙磁阻小
则线圈自感L为： L N 20S 2
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；
.
15
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
.
16
二、输出特性分析
L 0SN 2
.
11
概述
电感式传感器就是利用线圈自感或互感随被测量变化来实现测 量的一种装置。
被测量 → 线圈自感（互感） → UO（IO）
传感器的结构特征：具有线圈绕组 应用：可测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩等多种物
理量。
特点：灵敏度高、输出功率大、测量范围宽。但存在交流零位 信号，不宜于高频动态测量。
2）
具有线性度良好、自由行程大、 示值范围宽、灵敏度 较低的特点，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。
3）螺管式自感式传感器
灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是 结构简单，制造装配容易
.
116
三、测量电路
1. 电感式传感器的等效电路
电感线圈的等效电路（如图）
实际传感器中，线
圈不可能是纯电感， 它包括线圈的铜损
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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
发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发 生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯 的位移量的大小和方向。
自感式传感器的工作原理示意图
线圈 铁心
衔铁 ⊿δ
变气隙式自感传感器结构
➢ 这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温 度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿， 从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误 差。
1.差动式自感传感器的结构
(a)变气隙式;
（b）变面积式； 差动式自感传感器
（c）螺管式
三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电 感传感器的应用最广。
变气隙式差动式自感传感器结构剖面图
2.差动式自感传感器的特点 ➢ 自感系数特性曲线如图所示。
自感系数特性曲线图
2.差动式自感传感器的特点 ➢ 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2
和磁路组成。 ➢ 测量时,衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测体
上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移 动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反 的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈 的电感量减小，形成差动形式。
第3章 电感式传感器原理及其应用
3.1概述 3.2 自感式传感器 3.3差动变压器式传感器 3.4电涡流式传感器
3.1概述
1.电感式传感器的定义 ➢利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈
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，这种 装置称为电感式传感器。
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
实际上无法判别输出的相位和位移的方向。
（2）相敏检波电路
输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。
VD1
Z1
VD2
V
U
Z2
VD4
VD3
R1
U0 R2
带相敏整流的电桥电路
当差动式自感电感传感器处于中间位置时,Z1=Z2=Z，输 出电压U0为零。
当衔铁移动使Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时， 电阻R2上的压降大于R1上的压降。
2.电感式传感器的分类 ➢ 电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传
感器和电涡流传感器三种类型。
3.2 自感式传感器
3.2.1自感式传感器的结构 ➢ 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁
芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。
自感式传感器结构图
3.2.2自感式传感器的工作原理 ➢ 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化,
． U/2
当衔铁处于中间位置时,L1=L2=L0，
U ． U/2
Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。
Z1
Z2
． U0
当衔铁下移时,Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则
有:
.
. U Z
变压器电桥
U0
2Z
.
同理,当衔铁上移时，有:
.
U0
U
Z
输出电压反映了传感器线圈阻2 抗Z的变化,由于是交流信号，
➢当铁芯的结构和材料确定后,自感L是气隙厚
度 和气隙磁通截面积S的函数,即
。
➢如果LS保f(持,S不) 变，则L为 的单值函数，可
构成变气隙型自感传感器;如果保持 不变，
使S随位移而变，则可构成变截面型自感传
感器；如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔
铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成
了螺线管型自感传感器。
l 衔铁
x
线圈
螺管型电感传感器
这种传感器结构简单,制作容易，灵敏度较低，适用于 测量较大的位移量。
2ra r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电感式传感器的特点: （1）结构简单：没有活动的电触点,寿命长。 （2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能
达到上百毫伏。
（3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角 度变化。
（4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出 特性的线性度好，输出稳定。
（5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不 适宜进行高频动态测量。
3.2.3差动式自感传感器
➢ 由于线圈中通有交流励磁电流,因而衔铁始终承受电 磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差 较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的 变化都会使输出产生误差。
➢ 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，两个线圈的电气 参数和几何尺寸要求完全相同。
1.调幅电路
（1）变压器电路
➢ 图3-8所示为变压器电桥，Z 1 和 Z 2 为传感器
两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次 侧线圈的两半，每半的电压为 u 。
2
（1）变压器电桥电路
变压器式电桥如图所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧
绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为:
.
.
..
U . 0Z2I.U 2Z1U Z2Z2U 2U 2Z Z1 2 Z Z2 1 ．