第三章 互感式传感器
第三章电感传感器第一讲自感与互感传感器
教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第三章电感式传感器第一节自感传感器第二节互感传感器教学目的与要求【知识目标】1、了解自感式传感器的结构、工作原理。
2、差动变压器的结构、工作原理、测量电路重点掌握差动螺线管式电感变压器、差动相敏检波电路以及一次仪表的相关知识。
【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力。
【职业目标】培养学生对一次仪表变送的接线技能与爱岗敬业的情感目标。
重点难点重点：差动变压器工作特性、相敏检波电路的工作特性、一次仪表的输出。
难点：相敏检波电路的工作特性教具教学辅助活动教具：多媒体课件、变压器、毫安表、交流接触器、导线教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、测温热传感器的工作特性、热电阻的分类2、测温热传感器测量转换电路及优点3、举例测温热传感器应用4、气敏的工作特性与应用5、湿敏电阻的工作特性与应用5分钟讲课1、了解自感式传感器的结构、工作原理。
2、差动变压器的结构、工作原理、测量电路重点掌握差动螺线管式电感变压器。
3、掌握差动相敏检波电路4、电感传感器的应用70分钟小结1、小结见内页2、利用10分钟时间与学生互动答疑13分钟作业习题册第三章电感传感器习题2分钟任课教师：叶睿2011年1月20日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】上节课知识点：1、测温热传感器的工作特性、热电阻的分类2、测温热传感器测量转换电路及优点3、举例测温热传感器应用4、气敏的工作特性与应用5、湿敏电阻的工作特性与应用 第三章 电感式传感器【新课导入】电感式传感器：利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。
可以测量位移及与位移有关的工件尺寸。
本章要点：1、自感式传感器的结构、工作原理。
2、差动变压器的结构、工作原理、测量电路重点掌握差动螺线管式电 感变压器。
3、掌握差动相敏检波电路第一节 自感式传感器【本节内容设计】通过演示及理论公式说明自感式传感器的结构，对比说明差动传感器的优点，为后续学习做知识储备。
互感式传感器测量原理
互感式传感器测量原理互感式传感器是一种常用于测量和监测物理量的传感器。
它利用互感现象来实现测量原理。
互感现象是指当两个线圈靠近时，其中一个线圈的电流变化会导致另一个线圈中的电流发生变化。
互感式传感器的基本结构由两个线圈组成，一个称为主线圈，另一个称为辅助线圈。
主线圈中通入待测物理量所产生的电流，而辅助线圈则用来测量这个电流的变化。
主线圈和辅助线圈之间通过磁场相互耦合，当主线圈中的电流发生变化时，会在辅助线圈中感应出电动势。
互感式传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。
根据法拉第电磁感应定律，当一个线圈中的磁通量发生变化时，会在另一个线圈中感应出电动势。
互感式传感器利用这一原理，通过测量辅助线圈中感应出的电动势来间接测量主线圈中的电流变化。
互感式传感器的测量原理可以通过以下步骤来解释。
首先，主线圈中通过待测物理量产生的电流会产生一个磁场。
这个磁场会传导到辅助线圈中，并在辅助线圈中感应出电动势。
然后，通过测量辅助线圈中的电动势，可以得到主线圈中电流的变化情况。
根据测得的电动势和已知的线圈参数，可以计算出主线圈中的电流值。
互感式传感器的测量原理具有一定的优势。
首先，它具有较高的灵敏度和精度，能够实现对微小电流变化的测量。
其次，互感式传感器的结构简单、体积小，适用于各种应用场景。
此外，它具有较好的线性特性和频率响应特性，能够满足不同领域的测量需求。
互感式传感器在许多领域都得到了广泛的应用。
例如，在工业自动化领域，互感式传感器可以用来测量电流、位移、压力等物理量。
在医疗领域，它可以用来监测心电图信号、血压等生理参数。
在环境监测领域，互感式传感器可以用来监测温度、湿度、光照强度等环境参数。
互感式传感器是一种基于互感现象的传感器，利用互感现象来实现对物理量的测量和监测。
它通过测量辅助线圈中感应出的电动势来间接测量主线圈中的电流变化。
互感式传感器具有灵敏度高、精度高、结构简单、体积小等优点，广泛应用于各个领域。
互感式传感器.
互感式传感器互感式传感器根据互感的基本原理，把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化。
变压器式传感器与变压器的区别是：变压器为闭合磁路，而变压器式传感器为开磁路；变压器初、次级线圈间的互感为常数，而变压器式传感器初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变，且变压器式传感器有两个次级绕组，两个次级绕组按差动方式工作。
因此，它又被称为差动变压器式传感器。
差动变压器结构形式较多，有变间隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1-100mm 的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。
1．螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器的基本结构如图2.21所示，它由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图 2.22所示，其中对1•U 、1•I 为初级线圈激励电压与电流， L l 、R l 为初级线圈电感与电阻，M l 、M 2分别为初级线圈与次级线圈1、2间的互感，L 21、 L 22和R 21、R 22分别为两个次级线圈的电感和电阻。
图2.21 螺线管式差动变压器 图2.22等效电路 当初级绕组N 1加以激励电压1•U 时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组中便会产生感应电势E 21和E 22。
根据变压器原理，传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差，即 ••••-=-=12122212)(I M M j E E U ω （2.35）如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数21M M =。
根据电磁感应原理，将有2221E E =，因而022212=-=•••E E U ，即差动变压器输出电压为零。
当衔铁偏离中间位置向上移动时，由于磁阻变化使互感21M M >，即11M M M ∆+=，22M M M ∆-=。
第03章电感式传感器
双T电桥电路
脉冲调制电路
组成=转子+定子（如图）
长感应同步器示意图 a）定尺 b)转尺
圆感应同步器示意图 a）定子 b)转子
感应同步器的优点
①具有较高的精度与分辨力。 ②抗干扰能力强。 ③使用寿命长，维护简单。 ④可以作长距离位移测量。 ⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于 大位移静态与动态测量中 ;圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的 转台以及各种回转伺服控制系统中。
• 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积
就发生变化，因而导致电容量变化。
4.2.2 变面积型电容式传感器
+ + +
4.2.2 变面积型电容式传感器
• 线位移型电容式传 感器
• 平面线位移型和圆 柱线位移型两种。
4.2.3 变介电常数型电容传感器
• 变介电常数型电容传感器的结构原理如图 所示
0
(4-3)
4.2.1 极距式电容传感器
由式（4-3）可知, 传感器的输出特性C = f (δ)
不是线性关系,而是双曲线关系
此时C1与Δδ近似呈线性关系, 所以变极距型电
容式感器只有在Δδ / δ0很小时, 才有近似的线 性输出
4.2.1 极距式电容传感器
另外, 由式（4 - 3）可以看出, 在δ0较小时, 对 于同样的Δδ变化所引起的ΔC可以增大, 从而使传
4.2.1 极距式电容传感器
一般变极板间距离电容式传感器
• 起始电容在 20～100pF之间, • 极板间距离在25～200μm的范围内, • 最大位移应小于间距的1/10,
互感式传感器的工作原理
互感式传感器的工作原理一、介绍互感式传感器是一种常见的传感器类型，它通过感应到外部磁场的变化来测量某种物理量。
本文将详细探讨互感式传感器的工作原理及其应用。
二、互感式传感器的基本原理互感式传感器是基于互感现象工作的。
互感现象是指当电流通过一个线圈时，会在相邻的另一个线圈中产生感应电动势。
传感器中有两个线圈，一个线圈称为驱动线圈，另一个线圈称为接收线圈。
当外部磁场的变化作用于传感器时，驱动线圈中的电流也会相应改变，进而产生感应电动势在接收线圈中。
三、互感式传感器的结构互感式传感器通常由铁芯、驱动线圈、接收线圈和信号处理电路组成。
铁芯用于增强传感器对外部磁场的感应能力，驱动线圈产生磁场，接收线圈用来接收感应电动势，信号处理电路用来处理接收到的信号并输出。
3.1 铁芯铁芯是互感式传感器中重要的结构部分。
它由磁性材料制成，可以增强传感器的磁感应强度，从而提高传感器的灵敏度和准确性。
3.2 驱动线圈驱动线圈是产生磁感应强度的部分。
它通过通电产生磁场，这个磁场会对外部磁场产生相应的影响。
3.3 接收线圈接收线圈是感应到外部磁场变化的部分。
当外部磁场变化时，接收线圈中会产生感应电动势。
3.4 信号处理电路信号处理电路用来处理接收到的感应电动势信号。
它可以放大信号、去除噪声并输出一个稳定的电压或电流信号。
四、互感式传感器的应用互感式传感器具有广泛的应用领域，下面列举一些常见的应用。
4.1 位移测量互感式传感器可以通过测量外部磁场的变化来实现位移测量。
当物体发生位移时，位于互感式传感器附近的磁场也会发生变化，从而产生感应电动势。
通过测量感应电动势的大小可以确定位移的大小。
4.2 接近开关互感式传感器可以用作接近开关。
当物体靠近传感器时，外部磁场会对传感器产生影响，从而改变传感器中的感应电动势。
通过监测感应电动势的变化，可以实现物体的接近检测。
4.3 流量测量互感式传感器可以用于测量液体或气体的流量。
通过将传感器安装在流体管道中，当流体通过时，会对传感器产生磁场的影响。
3.电感式传感器及其应用(传感器原理及其应用)(俞阿龙)(南大)
δ1 δ2
Usc
Usr第3章 电感式传Fra bibliotek器及其应用三、差动式自感传感器 当衔铁下移时，有：
N 2 0 A L1 = （ 2 0 +） 2 3 =L0 1 ( ) ( ) 0 0 0
δ1 δ2
Usc
Usr
N 2 0 A L2 = L0 1 ( ) 2 ( )3 （ 2 0 ） 0 0 0
高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。
第3章 电感式传感器及其应用
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。
五、自感式电感传感器 应用 变气隙电感式压力传感器：结构如图，由膜盒、 铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一
起
当液体/气体进入膜盒时，膜盒的
线圈 铁芯 衔铁 A
U
顶端在压力P的作用下产生与压力 P大小成正比的位移，于是衔铁也 发生移动，从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变
δ
b 变截面式传感器
图3.1 自感式传感器结构图
第3章 电感式传感器及其应用
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
第3章 电感式传感器及其应用
二、自感式传感器灵敏度及特性分析
以变气隙长度传感器为例，
设自感式传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气 隙变化量为Δδ，
相差越大。
传感器原理及其应用_第3章_电感式传感器
2
P
r
x
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：
B
x
2 2 N NBS 0 N r L0 I I l
IN H l 则空心螺管线圈的电感为：
第3章 电感式传感器
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。
如果铁芯长度 l e 小于线圈长度l，则线圈电感为
L
0N [lr ( r 1)l e re ]
2 2 2
l2
第3章 电感式传感器 当l e增加 l e 时，线圈电感增大ΔL，则
L L
电感变化量为
0N [lr ( r 1)(l e l e )re ]
0 N 2 S N2 N2 线圈自感L为： L 2 Rm 2 0 S
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；
变铁芯磁导率μ的电感式传感器；
第3章 电感式传感器
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
，上式展开成泰勒级数： 1
非线性误差为
0
2
0
100%
0
第3章 电感式传感器
①差动式自感传感器的灵敏度 比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失 真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的 γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵 消温度变化、电源波动、外界 干扰、电磁吸力等因素对传感 器的影响
互感式传感器
1
2
及互感式传感器的线圈骨架固定，
而将衔铁的A端与被测振动体相连。
当被测体带动衔铁以x(t)运动时，
互感式传感器的输出电压也按相
同规律变化。
1
A
Δx(t )
图3.16 互感式加速度传感器的 示意图
传感检测技术基础
传感检测技术基础
互感式传感器
1.1 螺线管式互感传感器
1．工作原理
5
1
螺线管式互感传感器结构
如图3.13所示，它是由初级线
圈、两个次级线圈和插入线圈
4
2
中央的圆柱形铁心等组成。其
பைடு நூலகம்
中1是活动衔铁；2是导磁外壳；
3
3是骨架；4是匝数为W1 的初级
绕组；5是匝数为W2a的次级绕
6
组；6是匝数为W2b的次级绕组。
图 3.13 螺线管式互感传感器结构图
2．基本特性
螺线管式互感 传感器等效电路图 如图3.14所示，当 次级开路时有也按 相同规律变化。
I1
r1
U1
jL1
图3.14 螺线管互感传感器等效电路
1.2 互感式传感器的应用
图3.16所示为互感式加速度传感器 B 的示意图。它由臂梁1和互感式传
感器2构成。测量时，将臂梁底座
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D1 R
R D2
U1 0
D3 R RL D4
R
+ u1 + u2 T2
U2
i3
u2 e2 u1e2 Ｕ２正半周Ｕ１负半周 i4 i3 R RL R RL
故i４＜ i３。流经RL的电流为
i０= i４－ i３ ＜０
U1 0
T1
+ e1 + e2 _
D1 R
R D2
3．采用补偿线路 在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、 电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。 补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电 压的大小和相位改变，使零点电压最小。
补偿零点残余电压的电路
3.2.3测量电路
• • • • • 能辨别移动方向 消除零点残余电压 （1）差动整流电路 （2）相敏检波电路
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、 磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路： 当次级开路时，初级绕组的交流电流为：R21 Βιβλιοθήκη M1 ～ 21 L21 L1 L22
I1
e1 R1 jL1
R1 I1
e2
次级绕组的感应电动势为：
～
e1
R22
e21 jM 1I1 e22 jM 2 I1
U1 0
T1
e1 + e2 +
D1 R
R D2
D3
R
R
RL i1
D4
u1 + u2 + T2
U2
i2
负半周时
u 2 e1 i1 R RL
u1 e1 i2 R RL
故i１＞ i２，流经RL的电流为
i０= i１－ i２ ＞０
③当衔铁在零位以下时，Ｕ１与Ｕ２同频反相
e1 + e2 + T1 i4
原理:电磁感应
M(互感) （ x(位移、流量、振动） L （自感） U I） 初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原 边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串 接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以 又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称 为差动变压器。
1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4电感线圈 5 弹簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测杆 9 密封件 10玛瑙测端 11被测工件 12基准面 轴向电感测微器内部结构
轴向电感测微器外形
中原量仪厂
航空插头
红宝石测头
航空插头就是连接 器，即电缆接插件，插 头一般指不固定的那一 半。因最初用在航空领 域而得名。
如果存在零点电 u1= u２ i３= i４ i０= i４- i３ =０ 位,则可以通过调 节F,点,使IO为0
D1 R
R
D2
u1
-
U1 0
D3 R D4 RL
i1 i2
R
u2
+ +
U2
T2
T1
负半周时
u2 u1 i1 i2 R RL R RL
i １= i ２ i０= i１－ i２ =０
电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用
动画
图 滚子直径分选机的工作原理示意图 1－气缸 2－活塞 3－推杆 4－被测滚柱 5－落料管 6－电感测 微器 7－钨钢测头 8－限位挡板 9－电磁翻板 10－滚柱的公差分 布 11－容器（料斗） 12－气源处理三联件
测微仪
圆柱滚子
• 二、设计方案及步骤 • （一）机械结构的设计 • 1．测微器的选择 • 由于被测滚柱的公差变化范围只有6μm，传感器所
4~20mA二线制数显表外形及计算
在上图中，若取样电阻RL =250.0，则对应于 4~20mA的输出电流，输出电压Uo为1~5V。
工程项目设计实例
• —电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用 • 一 课题要求及主要技术指标 • 某轴承公司希望对本车间生产的汽车用滚柱的直径 进行自动测量和分选. • 滚柱的标称直径为10.000mm，允许公差范围为 ±3μm。 • 在公差范围内，滚柱的直径从9.997mm至 10.003mm，分为A～G共7个等级，分别落入7个料箱 中。 • 滚柱的分选速度为60个/min
仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压 太大，就要进行调整。
零点残余电压波形
U Ui UZ
(a)残余电压的波形
UZ 1
t 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P68：
①基波分量 两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对 称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调 整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。
u0 (u / 2) (Δ Z / Z )
• 差动变压器式压力变送器
5—差动线圈 4—印制线路板 6—衔铁 7—电源变压器 8—罩壳
3—电缆 2—波纹膜盒 1—压力输入接头
9—指示灯 10—密封隔板 11—安装底座
a)外形
b)结构示意图 c)电路原理图
半波差动整流电路、低通滤波电路
压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一 个壳体中，并安装在检测现场，在工业中经常被称为一 次仪表，可接入二次仪表加以显示。 由于上述一次仪表输出的信号(电压，也可以是电流) 既易于处理，又符合国家标准，所以这类标准化的传感 器或仪表又称为变送器。变送器的输出信号可直接与电 动过程控制仪表，例如与DDZ-Ⅲ调节器连接。
需要的行程较短，所以可以选择线圈骨架较短、直径较 小的型号。 2．滚柱的推动与定位 气缸的活塞在高压气体的推动下，将滚柱快速推 至电感测微器的测标下方的限位挡板位置。使用“钨 钢测头”延长测端的使用寿命。
• 两线制仪表： • 所谓两线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导 线。多数情况下，其中一根为+24V电源线，另一根既作 为电源负极引线，又作为信号传输线。 • 二线制仪表接线方法： • 在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称 取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变 成电压信号。两线制仪表的接线方法如图所示。
（2）半波电压输出
a b
c d
衔铁上移
正半周二极管均导通 Eab Ecd 负半周二极管截止。U 2 0
U2 0 U2 0
衔铁下移 正半周二极管均导通 Eab Ecd 负半周二极管截止。 2 0 U
2． 二级管相敏检波电路
参考电压Ｕ２和差动变压器的输出电压Ｕ１同频，经过 移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１
• 1 差动整流电路
整流原理: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。
电阻R0用于调整零点残余电压。
整流器件:二极管及由 它们组成的电桥。
（1）全波电压输出
U2=U24- U68 衔铁上移 Eab Ecd
衔铁下移 Eab Ecd
U 24 U 68 U 2 0 U 24 U 68 U 2 0
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。
U1 0 U2
0
t t t t t t t
二级管相敏
检波在U1、
i1 0 i2 0
U2同相位时 的波形
i3
0 i4 0 i0 0
经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移 输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后， 特性曲线由图（a）变成（b），残存电压自动消失。
旋转盘
线圈
三、压力测量
U～ 铁芯 A
衔铁
膜盒 P
图3-9 变隙电感式压力传感器结构图
线圈1 C形弹簧管
Q：压力传感器的三 个组成部分？ 敏感元件：
输出
C形弹簧管 P
位移
转换元件：
调机械 零点螺钉 线圈2 P 衔铁 ～
差动变隙自感传感器 电路参数 转换电路： 变压器电桥 电量
图3-10变隙差动式电感压力传感器
UL UL
0 0 （a） x （b）
x
相敏检波前后的输出特性曲线
3.2.4
•
电感传感器的应用
能转换成位移变化的参数，如力、压力、 压差、加速度、振动、工件尺寸等，可用电感 传感器来测量。
一、位移测量 测量时红宝石（或钨钢、玛瑙）测 端接触被测物，被测物尺寸的微小变化 使衔铁在差动线圈中产生位移，造成差 动线圈电感量的变化，此电感变化通过 电缆接到交流电桥，电桥的输出电压反 映了被测体尺寸的变化。
D3 R RL i1 D4
R
u1 + u2 + T2
U2
i2
同理:在Ｕ２负半周Ｕ１正半周时： u1 e1 u 2 e1 i2 i1 R RL R RL
i１＜ i２ i０= i１－ i２ ＜０．
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。
定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余
电压。（x＝0， U0＝UZ≠0)
Ｕ０
ＵＺ
0
x
Ｕ０
ＵＺ
0
x
零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志 之一 。因为如果零点残余电压过大，会使灵敏度下降， 非线性误差增大。所以，在制造传感器时，要规定其 零点残余电压不得超过某一定值。 例如某自感测微仪的传感器，经200倍放大后，在放大 器末级测量，零点残余电压不得超过80mv 。