电感式传感器变换原理自感式传感器工作原理和基本特性
测试技术第5讲--电感式传感器
meyyq@
电感式传感器
螺旋管式自感传感器
双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性， 被用于电感测微计，其测量范围为0—300mm，最小分辨力为 0.5mm。这种传感器的线圈接于电桥，构成两个桥臀、线圈电感 LI、L2随铁芯位移而变化。
对 有 长 差 式 线 ， 沿 向 磁 强 H为 于 限 度 动 的 圈 其 轴 的 场 度 ： 线 长 l： 圈 度 IW l − 2x l + 2x 2x H= − + 2 2 2 2 2 2 2l 4r + (l − 2x) r +x 4r + (l + 2x) R： 圈 平 直 线 的 均 径 I： 圈 平 电 线 的 均 流 N： 圈 数 线 匝 线 的 向 场 布 不 匀 ， 确 理 上 感 推 很困 。 圈 轴 磁 分 是 均 的 精 的 论 电 值 导 难 本 程 作 细 析 课 不 详 分
meyyq@
电感式传感器
变面积式自感传感器
仅改变气隙截面积的自感传感器称为变截面积式自感 传感器。在忽略气隙边缘效应的条件下，电感的变化 由下式计算：
W2µ0 (S + ∆S) W2µ0S W2µ0∆S W2µ0S ∆S ∆S ∆L = L - L0 ≅ − = = ≅ L0 2x 2x 2x 2x S S
U0 =
2
Z
=
2 R0 + jwL0
≈
2
L0
=
2 δ0
（a）交流电桥测量电路 （b）变压器式电桥 图4- 7 自感式传感器测量电路
meyyq@
电感式传感器
自感传感器的测量电路
（2）变压器式交流电桥自感式 ） 传感器测量电路 传感器测量电路 变压器式交流电桥测量电路如图 （b）所示 当负截阻抗为无穷大 ）所示, 桥路输出电压： 时, 桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间位置, 当传感器的衔铁处于中间位置 电桥平衡。 有Uo=0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时, 当传感器衔铁上移时 即 Z1=Z+∆Z, Z2=Z-∆Z， ， 当传感器衔铁下移时, 当传感器衔铁下移时 则Z1=Z∆Z, Z2=Z+∆Z, 从上面两式可知, 从上面两式可知 衔铁上下移动 相同距离时, 相同距离时 输出电压的大小相 但方向相反, 由于是交流电压, 等, 但方向相反 由于是交流电压 输出指示无法判断位移方向, 必 输出指示无法判断位移方向 须配合相敏检波电路来解决。 须配合相敏检波电路来解决。
传感器检测实验报告
一、实验目的1. 了解传感器的基本原理和检测方法。
2. 掌握不同类型传感器的应用和特性。
3. 通过实验，验证传感器检测的准确性和可靠性。
4. 培养动手能力和分析问题的能力。
二、实验原理传感器是将物理量、化学量、生物量等非电学量转换为电学量的装置。
本实验主要涉及以下几种传感器：1. 电阻应变式传感器：利用应变片将应变转换为电阻变化，从而测量应变。
2. 电感式传感器：利用线圈的自感或互感变化，将物理量转换为电感变化，从而测量物理量。
3. 电容传感器：利用电容的变化，将物理量转换为电容变化，从而测量物理量。
4. 压电式传感器：利用压电效应，将物理量转换为电荷变化，从而测量物理量。
三、实验仪器与设备1. 电阻应变式传感器实验装置2. 电感式传感器实验装置3. 电容传感器实验装置4. 压电式传感器实验装置5. 数字万用表6. 示波器7. 信号发生器8. 振动台四、实验步骤1. 电阻应变式传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
（3）观察数字万用表和示波器显示的应变值和电压值。
（4）分析应变值和电压值之间的关系，验证电阻应变式传感器的检测原理。
2. 电感式传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
（3）观察数字万用表和示波器显示的电感值和电压值。
（4）分析电感值和电压值之间的关系，验证电感式传感器的检测原理。
3. 电容传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
（3）观察数字万用表和示波器显示的电容值和电压值。
（4）分析电容值和电压值之间的关系，验证电容传感器检测原理。
4. 压电式传感器实验（1）连接实验装置，确保电路连接正确。
（2）调整信号发生器输出频率和幅度，使振动台产生一定频率和幅度的振动。
什么是电感式传感器？电感式传感器的工作原理介绍
什么是电感式传感器？电感式传感器的工作原理介绍电感式传感器的工作原理电感式传感器的工作原理是电磁感应。
它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。
按照转换方式的不同，可分为自感式(包括可变磁阻式与涡流式)和互感式(差动变压器式)两种：1、变磁阻式传感器当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通Φ也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势e，这种现象称之为自感。
产生的感应电势称为自感电势。
变磁阻式传感器的结构如图1所示。
它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
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发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。
特点：变磁阻式传感器具有很高的灵敏度，这样对待测信号的放大倍数要求低。
但是受气隙δ宽度的影响，该类传感器的测量范围很小。
2、差动变压器式传感器互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。
由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。
差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性;同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。
因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。
这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。
差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。
电感式传感器原理
电感式传感器原理
电感式传感器是一种利用电感效应进行测量和检测的传感器。
其基本原理是根据电感的特性来实现信号的转换和传输。
电感式传感器的工作原理是通过改变线圈中的电感值来感应外部的物理量。
当外部物理量发生变化时，线圈中的电感值也会相应地发生变化。
通过测量线圈的电感值的变化，可以得知外部物理量的变化情况。
电感是指导线圈中产生的自感应电动势。
当线圈中的电流发生变化时，会产生与电流变化方向相反的电动势。
这种电动势会产生磁场并储存能量。
当外部物理量改变线圈中的磁场时，会影响线圈中的电感值。
测量电感值的常用方法是利用谐振电路。
当外部物理量引起电感值变化时，会影响谐振电路的谐振频率。
通过测量谐振频率的变化，可以得到外部物理量的变化信息。
电感式传感器广泛应用于各种测量和控制领域。
例如，在温度传感中，可以利用电感式传感器测量温度变化引起的电感值变化；在位移传感中，可以利用电感式传感器测量物体位置的改变；在压力传感中，可以利用电感式传感器测量压力变化引起的电感值变化等。
总之，电感式传感器是一种利用电感效应进行测量和检测的传感器，通过测量线圈的电感值的变化来获取外部物理量的变化
信息。
由于其简单、可靠和精度高的特点，电感式传感器被广泛应用于各种工程领域。
电感式传感器变换原理自感式传感器工作原理和基本特性
线圈自感
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； W——线圈的匝数； Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。
a)气隙型
b)截面型
c)螺管型
自感式传感器原理图
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Rm li /i Si 2 / 0S
0
2
0
3
得
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
0
4
对上式进行线性处理，即忽略高次项（3次及
以上项）得 灵敏度k0为
L
2
L0
0
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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
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L1
L0
0
1
0
0
2
当衔铁下移Δδ时
L2
L0
0
1
0
工作原理
一、 霍尔效应及霍尔元件
UH b
e EH
二、 霍尔元件基本结构
三、 霍尔元件基本特性
四、 霍尔传感器的应用
2. 霍尔式转速传感器
线圈中放入圆形衔铁，衔铁上下移动，可变自感 ， 螺管型传感器
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第2章位移检测传感器之电感式
根据鼓励频率不同分为
高频反射式涡流传感器 — 自感型 低频透射式涡流传感器 — 互感型
（三）涡流式位移传感器
➢ 涡流旳大小与金属体旳电阻率ρ、磁导率μ、 厚度t以及线圈与金属体旳距离x、线圈旳鼓励 电流强度i,角频率ω等有关。假如固定其中某 些参数，就能由电涡流旳大小测量出另外某些 参数。
➢ 涡流位移传感器在金属体上产生旳涡流，其渗 透深度与传感器线圈旳鼓励电流旳频率有关， 所以涡流位移传感器主要分为高频反射和低频 透射两类，前者应用较广泛。
L
L0
L
N 20S0 2(0
)
L0
1
0
变气隙型自感传感器
当Δδ/δ0<<1时：
L
L0
L
L0 1
0
0
2
0
3
可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0旳体现式，即
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
对上式作线性处理，即忽视高次项后，可得
差动变压器式位移传感器
互感位移传感器常采用差动形式，即两个二次 线圈采用差动接法，故又称为差动变压器式位 移传感器。
➢差动变压器式位移传感器有变隙式、变面积式和 螺管式等。
非电量测量中，应用最多旳是螺管式差动变压器， 它能够测量范围内旳机械位移，并具有测量精度高、 敏捷度高、构造简朴、性能可靠等优点
1. 工作原理与构造
一般气隙旳磁阻远不小于铁芯和衔铁旳磁阻 2 l 0S0 S
则Rm
2 0 s0
L N 2 N 20s0
Rm
2
1. 工作原理与构造
L N 2 N 20s0
3.1.2.3传感器
第三章电感式传感器及应用§3-1 自感式1．说明单线圈和差动变隙式传感器的主要组成、工作原理和基本特性。
2．为什么螺线管式电感传感器比变隙式电感传该器有更大的测位移范围？3．根据单线圈和差动螺线管式电感传该器的基本特性，说明它们的性能指标有何异同。
4．电感式传该器测量电路的主要任务是什么？变压式电桥和带相敏整流的交流电桥，谁能更好的完成这一任务？为什么？5．说明电动测微仪和电感式压力传该器的基本组成和工作原理。
作业题1. 利用原理，将非电量的变化转换成线圈（或）变化的装置，叫电感式传该器。
该传该器可分为和两大类。
（电磁感应；电感；互感；自感式；互感式）2. 自感式有式和式。
以上每种形式又可再分为式与式两种结构。
（闭路变隙；开路螺线管；单线圈；差动）3. 闭磁路变隙式电感传该器主要有、和等部分组成。
而单线圈螺线管式电感传该器则由、和等部分组成。
（铁磁性壳体；线圈；活动铁心）4. 由单线圈变隙式电感传该器的基本特性可知，其与、相矛盾。
为解决这一矛盾，通常采用或电感传该器。
（测量范围；灵敏度；线性度；差动变隙式；螺线管式）5．写下面的比较表：比较项目闭磁路变隙式电感传该器开磁路螺线管式电感传该器灵敏度高低测量范围较小较大测量误差3%左右±5%左右制造装配困难方便，批量生产互换性强应用逐渐减小越来越多6. 在工程技术中，电感式传该器经常用来测量、、、、、、、及等非电量。
（位移；尺寸；振动；力；压力；转矩；应力；流量；比重）7. 电动测微仪是用于测量变化的仪器，其主要优点为、、以及等等。
（微小位移；重复性好；精度高；灵敏度高；输出信号便于处理）8. 电动测微仪的测量电路有电桥、电桥和电桥等，而应用最多的为的交流电桥。
（紧耦合电感；变压器式交流；带相敏整流；带相敏整流）9．当电动测微仪采用变压器式交流电桥时，不论衔铁向哪个方向移动，电桥输出电压总是。
因此，不论采用，还是都无法判别该输出电压的，即无法判别衔铁。
传感器基本工作原理
传感器基本工作原理
传感器是利用物质的特性或状态变化来获取信息的器件或装置，是一种能够感受规定的被测量，并且能够将感受到的被测量转换成可用信号输出的装置。
传感器是现代电子技术、自动控制技术、信息处理技术、测量技术和计算机技术等多种技术交叉渗透的产物，它在工业生产、交通运输、国防建设和人民生活等方面都有广泛的应用。
传感器种类繁多，按其工作原理可分为：电阻式传感器、电感式传感器和光敏电阻型传感器。
其工作原理如下：
（1）电阻式传感器
电阻式传感器是利用弹性元件（如各种弹性梁、弹簧等）与被测物体产生位移，使其所在平面与弹性元件轴线间产生一定角度（如0°~90°）的位移，使弹性元件发生变形，在其两端产生
电压。
这种位移与电压之间的关系称为电阻原理，简称电阻定律。
这种原理制成的传感器主要有如下几种：
（1）应变式
应变式传感器是根据晶体材料在外力作用下发生变形，而引起晶体材料内部结构发生变化而使其性能发生变化这一原理制成的。
—— 1 —1 —。
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1. 变气隙式自感传感器
Rm
l1
1s1
l2
2s2
2 0s0
通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 ，∵µ 》 µ0
2 l2 0s0 2s2
2 l1 0 s0 1 s1
2 Rm 0s0
W2 L
W20s0
Rm 2
L当衔铁上移Δδ时，则 代入上式并整理得
（ /01 ）是相矛盾的，因此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
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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
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当衔铁上移Δδ时
L 1L0 0 1 0 0 2
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离 子正好分布在正六边形的顶角上, 形成 三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、 P3。因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷 之间距离。 此时正负电荷重心重合, 电
偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
l i ——各段导磁体的长度； µ i——各段导磁体的磁导率； S i ——各段导磁体的截面积； δ ——空气隙的厚度； µ0 ——真空磁导率
S ——空气隙截面积
L N 2 / l i/i S i 2 /0 S
Lf,S
Lf1 变气隙型传感器
Lf2S 变截面型传感器
线圈中放入圆形衔铁，衔铁上下移动，可变自感 ， 螺管型传感器
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用 时, 晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离 子的相对位置也随之变动。此时正负电荷 重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量 由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3）x> 0 。 在x轴的出现电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现 电荷。
• 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。 当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非 电量测量。压电式传感器具有体积小, 重量轻, 工作频带宽等 特点, 因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
某些电介质, 当沿着一定方向对其施 力而使它变形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反 的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到 不带电状态， 这种现象称压电效应。 当 作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改 变。 有时人们把这种机械能转为电能的 现象, 称为“正压电效应” 。
相反当在电介质极化方向施加电场, 这些 电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆 压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电 效应的材料称为压电材料, 压电材料能实 现机—电能量的相互转换。在自然界中 大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十 分微弱。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅 等是性能优良的压电材料。
石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构,它是一个正六面 体, 各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经 过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同 时垂直的轴 y 称为机械轴。把沿电轴x 方向的力作用下产 生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”, 而把沿机械轴y 方 向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而
§1.4 电感式传感器变换原理
自感式传感器工作原理和基 本特性
线圈自感
W W2 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； W——线圈的匝数； Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。
a)气隙型
b)截面型
c)螺管型
自感式传感器原理图
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R m li/iS i 2/0 S
当衔铁处于初始位置时， 初始电感量为
L0
W 20s0 2 0
LL0 L 0
LL0
L2W (020 s0 )
L0
1
0
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/01 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式
LL0LL0 1 0 0 2
LL0
0 1 0 0 2
LL 0 0 1 0 0 2
沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。
实验证明，在晶体上积聚的电荷量Q与作 用力F的大小成正比，即
Q=DF
Q—电荷量（库伦）；F—作用（牛）； D—压电常数（C/N）与材料及切片方向
有关
压电原理
“+”代表Si4+离子, “-”代表氧离子O2-.电偶极矩 P=qL, q为电荷量, L为正负电荷间距离。
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同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下 移动时，有
LL0 0 1 0 0 2 0 3
L L 00 0 1 0 0 2 0 3
对上两式作线性处理，即忽略高次项（2次及
以上项）后可得
L
L0
0
灵敏度为
k0 =
L
L0
= 0
变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度
0为铁心和衔铁材料相磁对导率； s为气隙磁通截面积；
L l
W2 l
W20 s l l/r
0s 0rs
灵敏度
K W20
LKs l l/r
变面积式自感传感器输入与输出呈线性关系；因此 可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传 感器相比，其灵敏度降低。
二、 互感式传感器工作原理
§1.5 压电式传感器变换原理
2
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
0
3
以上高次
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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 积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁 材料的磁导率相同，则此变面积自感传感 器自感L为
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为气隙总长度； 为铁心和衔铁中的磁总路长度；
当衔铁下移Δδ时 L2L 0 0 1 0 0 2 0 3
得
L L 1 L22L0 0 1 0 2 0 4
对上式进行线性处理，即忽略高次项（3次及
以上项）得 灵敏度k0为
L
2
L0
0
k0 =
∆L
2L 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。