第四章 变磁阻式传感器
变磁阻式传感器57页文档
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
第4章 变磁阻式传感器
Z Z Uo U＝ U (L1 L2 ) 2( Z1 Z2 ) 2Z
(3-4)
Z1
Z3＝R
U
Z2
Z4＝R
Z1 R U0＝U － Z1＋Z2 R R
U o
Z Z Uo U＝ U (L1 L2 ) 2( Z1 Z2 ) 2Z
第3章 变磁阻式传感器
3.1 自感式传感器 3.2 差分变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器
• 变磁阻式传感器的工作基础：电磁感应 • 即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）
过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过
变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。 输出信号uo从变 压器T1与T2的中心抽头引出。 平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2 的次级电流过大。RL为负载电阻。us的幅值要远大于输入信
号u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且us和
差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电， 保证二 者同频同相（或反相）。
us
T2 u s1 A T1
u2
u s2 O VD 4 R VD 3 R B (a ) M A RL uo
u2 1 u2 2
R C VD 1 R VD 2
D
图 4 19 相 敏 检 波 电 路
-
－ u s1 ＋ C R
实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。
(1) 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。
变磁阻式传感器
变磁阻式传感器一、变磁阻式传感器特点变磁阻式传感器是自感式传感器的一种，自感式传感器又属于电感式传感器类别。
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量，如位移、压力、流量、振动等，转换成线圈的自感系数L 或互感系数M 的变化,再由转换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、传感器无活动的电接触点，因此工作可靠寿命长；2、灵敏度和分辨率高,能测出0。
01μm 的位移变化，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达到数百毫伏的输出；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，传感器非线性误差仅达到0.05%—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输、记录、显示和控制,他在工业自动控制系统中广泛被采用；但是它有频率响应较低、不宜快速动态测控等缺点。
二、结构和工作原理变阻式传感器的结构和工作原理如图1所示，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
铁芯和衔铁都由导磁材料，如硅钢片和坡莫合金制成。
在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ。
传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度δ发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，这样可以由此判别被测量的位移大小.线圈的电感值L 可按如下电工学公式计算: 2M N L=R （1）式中 N ——线圈匝数；R M ——单位长度上的磁路总磁阻。
图1是变磁阻式传感器基本结构图。
图1 变磁阻式传感器基本结构图磁路总磁阻可写成：M F R =R +R δ （2） 式中F R ——铁芯磁阻；R δ——空气气隙磁阻;其中F R 和R δ可以分别由下式求出: 12F 1122L L R =A A μμ+ （3） F 02R =A δμ （4）式(3）中，第一项为铁芯磁阻,第二项为衔铁磁阻；1L ——磁通通过铁芯的长度（m ）；1A ——铁芯横截面积（m 2)；1μ——铁芯材料的导磁率（H/m ）；2L ——磁通通过衔铁的长度（m ）；2A ——衔铁横截面积（m 2);2μ——衔铁材料的导磁率(H/m)；A ——气隙横截面积（m 2）； 0μ-—空气的导磁率（4π×10.7 H/m ）。
第四章 变磁阻式传感器
（4-9）
(4-10)
(4-11)
变磁阻式传感器
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同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动∆δ时，有 ∆δ ∆δ 2 ∆δ 3 ∆δ （4-12） 1 − ∆L = L − L0 = − L0 + δ − δ + L δ0 δ0 0 0 ∆δ ∆δ 2 ∆δ 3 ∆L ∆δ 1 − =− + δ − δ + L （4-13） L0 δ0 δ0 0 0 对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得
Z1 ＋ & U － B A
Z2
o
Z 2 − Z1 U U0 = Z + Z ⋅ 2 1 2
.
.
图4-5 变压器式交流电桥
变磁阻式传感器
当传感器衔铁上移：如Z1=Z+∆Z，Z2=Z－∆Z，
& & & = − ∆Z U = − ∆L U Uo Z 2 L 2
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当传感器衔铁下移：如Z1=Z－∆Z，Z2=Z+∆Z， 此时
2、金属板的电阻率ρ或金属板的磁导率µ
可用于材质鉴别或无损探伤。
特点：可用于动态非接触测量，测量范围0~1500um，分辨 力可达1um，且结构简单方便可靠。
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产品： 产品：
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案例： 案例：板的厚度测量
~
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线线 衔铁
A
线圈的等效电感为：
.
ω 2M 2 j ωL1 − 2 ωL2 R2 + (ωL2 ) 2
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。
习题参考答案3-变磁阻式传感器
浙江大学城市学院信息分院10192091 现代传感器技术赵梦恋，吴晓波 2008-2009学年冬学期2008年12月三、变磁阻式传感器（二）习 题3-1. 分别画出正负半周下二极管环形相敏检波电路的等效电路并据此说明其工作原理（如何反映衔铁运动的大小和方向）。
答:Z 1和Z 2为传感器两线圈的阻抗，Z 3＝Z 4构成另两个桥臂，U 为供电电压，U O 为输出。
如图(b)示。
当衔铁处于中间位置时，Z 1＝Z 2＝Z ，电桥平衡，U O ＝0。
若衔铁上移，Z 1增大，Z 2减小。
(1)如供电电压为正半周，即A 点电位高于B 点，二极管D 1、D 4导通，D 2、D 3截至，如图(a)示。
在A -E -C -B 中，C 点电位由于Z 1增大而降低；在A -F -D -B 支路中，D 点电位由于Z 2减少而增高。
因此D 点电位高于C 点，输出信号为正。
(2)如供电电压为负半周，即B 点电位高于A 点，二极管D 2、D 3导通，D 1、D 4截至，如图(b)示。
在B -C -F -A 中，C 点电位由于Z 2减少而降低；在B -D -E -A 支路中，D 点电位由于Z 1增大而增高。
因此D 点电位仍高于C 点，输出信号为正。
(c)O同理证明，衔铁下移时，输出信号总为负。
故输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。
O (b)3-2. 试推导差动变压器的输出电压与△M 之间的关系。
答：根据变压器原理，传感器输出电压为两次级线圈感应电势之差：()212212O U E E j M M I ω∙∙∙∙=-=--当衔铁在中间位置时，若两次级线圈参数与磁路尺寸相等，则12M M M ==，0O U ∙=。
当衔铁偏离中间位置时，12M M ≠，在差动工作时，有11M M M =+∆，22M M M =-∆。
在一定范围内，12M M M ∆=∆=，差值()12M M -与衔铁位移成比例，即 21222O U E E j M I ω∙∙∙∙=-=-∆。
传感器原理及工程应用第4章
Z2 Z4 U0 U AC U AC Z1 Z 2 Z3 Z 4
因
Z3 Z 4 R0
Z2 1 U0 U AC U AC Z1 Z 2 2 Z 2 Z1 U AC Z1 Z 2 2
所以：
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
U
Ui
(a)残余电压的波形
1
UZ t
UZ
2
3
4 5 t
(b)波形分析
1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波5 电磁干扰
零点残余电压产生原因： ①基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完 全一致，因此它的等效电路参数（互感M、 自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两 个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初 级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质 的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使 激励电流与所产生的磁通相位不同。
衔铁气隙增大Δσ时,电感的相对减小量为
L 2 2 3 [1 ( ) ] ( ) ( ) L0 0 0 0 0 0 0
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 对上式作线性处理忽略高次项时
L1 L2 2 K0 L0 0
第4章 电感式传感器
传感器原理及应用
4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 讨论： • 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； • 差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子； • 不存在偶次项，因Δσ/σ<<1，线性度得到改善。 • 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。
《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读
三、电位计式传感器
令 R / RL m， Rx / R x
(x 0时, Rx 0; x 1时,
UL
U
1
x mx(1
x)
Rx R)得
U L 与 x 呈非线性关系
电位计式传感器原理图
U Rx
x
R
a
RL UL
非线性相对误差 为：
b
(UL )m0 (UL )m0 100% [1 (UL )m0 ]100%
第一节. 概 述 传感器的组成
敏感元件
被测量
转换元件 辅助电源
基本转换电路
电量
敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的 某一物理量的元件。
转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电 路），便可转换成电量输出。
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器
C 2 h11 2 (h h1)2
ln R
ln R
r
r
2 h2 2 h1(1 2)
ln R
ln R
r
r
容器内介质的介电常数 1
容器上面气体介质介电常数 2
输出电容C与液面高度成线性关系
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器 — 应用
积变化 △AA ，电阻率的变化为 △ρ ，相应的电阻变化为 dRdR。对
式 R l 全微分得电阻变化率 dR//RR 为：
s
dR dl 2 dr d Rl r
上式中：dl l 为导体的轴向应变量 l ；dr / r 为导体的横向应变量 r
由材料力学得：l r
式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.3～0.5 左右
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变磁阻式传感器也叫电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被 测量(力、位移)转化为电感量的一种装置。
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）
分类:
变磁阻式传感器
电感式（自感型） 变压器式（互感型） 电涡流式
☞浮子的位移变成电量： 液位升高，液体对浮子的浮力F↑，破坏平衡状态。浮子 上升，铁心上移，电感变化，输出信号改变。
Z Z ( , , , ) 其中为间距，为金属电阻率， 为磁导率，为圆频率即 2f
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. . . R2 I 2 jL2 I 2 jM I1 0 . . . . R1 I1 jL1 I1 jM I 2 U1
2M 2 Z . R1 2 R 2 2 R2 (L2 ) I U
0
变磁阻式传感器
（2）相敏检波电路 U0
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U01
U02
UL
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结论： ① 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周， 在负载RL上的输出电压始终为0。 ② 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半 周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。
③ 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半
3. 谐振式测量电路 分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。
C
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U o
L
U
T
U o
O L0 L
(a )
(b )
图4-6 谐振式调幅电路 此电路灵敏度很高， 但线性差，适用于线性度要求不高的场合
变磁阻式传感器
f C L
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G
f
o (a ) (b )
L
图4-7 谐振式调频电路
2、金属板的电阻率ρ或金属板的磁导率μ
可用于材质鉴别或无损探伤。
特点：可用于动态非接触测量，测量范围0~1500um，分辨 力可达1um，且结构简单方便可靠。
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电涡流接近开关
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大直径电涡流探雷器
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市场上自动封口 机，利用电涡流 原理。待封口位 置含铝，检测到 封口位置时，电 涡流效应产生热 量，实现封口。 间隙越大，电涡 流越小
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当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
L U Z U Uo Z 2 L 2
可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位 移而变化。由于是交流电压， 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。
变磁阻式传感器
W 2 0 S0 L 2
L
L0＋L L0 L0－L
o
－
＋
Hale Waihona Puke 图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性
变磁阻式传感器
灵敏度
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L0 2 0 S0 L K0 0 2 02
（4-15）
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
变磁阻式传感器
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第一节 电感式—自感型
一、原理:电磁感应
差动型 可变导磁面积型
变磁阻式传感器
l1 S1 W l2 1 L 2
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1 —线 圈 ；
2 —铁 芯 (定 铁 芯 )； 3 —衔 铁 (动 铁 芯 )
S2
±
3
图4 – 1 电感式传感器
变磁阻式传感器
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U
C ＋ U 2 － ＋ U －2 D
Z1 ＋ U － A
.
Z2
o
Z 2 Z1 U U0 Z Z 2 1 2
.
B
图4-5 变压器式交流电桥
变磁阻式传感器
当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，
Z U L U Uo Z 2 L 2
线圈的等效电感为：
.
2M 2 j L1 2 L 2 2 R ( L ) 2 2
M为互感系数，与 成反比
2M 2 L L1 L2 2 R2 (L2 ) 2
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影响阻抗Z的变量： 1、间距δ， δ M Z
可用于检测位移，振动等物理量
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。
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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-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
图4-3 差动变隙式电感传感器
当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量分别为L1、L2
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2 l1 0 S0 1S1 2 l2 0 S0 2 S2
则式（4-2）可写为
（4-3）
2 Rm 0 S0
W 2 W 2 0 S0 L Rm 2
（4-4）
联立式（4-1）及式（4-4）， 可得 （4-5）
变磁阻式传感器
工作原理:互感现象.
Eout Ew Eout
-x
x
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零点残余电压
变磁阻式传感器
二、等效电路
r1
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E E U 2 2a 2b
差动变压器等效电路
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三、测量电路
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问题：差动变压器的输出是交流电压 ( 用交流电压表测量，只能反映衔铁 位移的大小，不能反映移动的方向); (1) 差动整流电路
周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。
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第三节 电涡流式
原理:涡流效应
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涡流效应：当块状金属导体置于交变磁场中，或 在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈 涡旋状的感应电流。
问题：产生涡流必须具备的条件是什么？
结论：
①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。 ②非线性减小。 ③克服温度等外界共模信号干扰。
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1、交流电桥式测量电路
Z1 Z3＝R
0 U
Z2
L U Z U Uo Z 2 L 2
Z4＝R
U o
图4-4 交流电桥测量电路
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2. 变压器式交流电桥
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涡流效应的应用：
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电磁炉
高频电流 通过励磁线圈， 产生交变磁场， 在铁质锅底会 产生无数的电 涡流，使锅底 自行发热，烧 开锅 内 的 食 物。
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电磁炉内部 的励磁线圈
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高频加热炉
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原线圈的等效阻抗Z变化：
线圈中电感量可由下式确定：
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W L Rm
式中, Rm为磁路总磁阻。
2
（4-1）
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
l1 l2 2 Rm 1S1 2 S2 0 S0
（4-2）
变磁阻式传感器
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
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探伤
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产品：
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案例：板的厚度测量
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1、悬臂弹簧
2、差动变压器
差动变压器式加速度传感器原理图 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频 率的10倍以上，这样可以得到精确的测量结果。
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自感式传感器测液位
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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S0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δ的传感器和变 气隙面积S0的传感器。 目前使用最广泛的是 变气隙厚度式 电感传感器。
变磁阻式传感器
二、
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L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图4-2所示。
f与L具有明显的非线性关系
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线圈 U～ 铁芯 A
衔铁
膜盒 P
变隙电感式压力传感器结构图
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线圈 1 C形 弹 簧 管
输出
调机 械 零点 螺钉 线圈 2 P 衔铁 ～
变隙式差动电感压力传感器
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第二节 差动变压器式传感器
一、结构与工作原理