第四章电感式传感器
电感式传感器PPT课件
2
LC
2LC
Q2
(1
2LC)2
2LC Q
2
(4-17)
第4章 电感式传感器
当Q>>ω2LC且Ω2lc<<1
Z
R
(1 2LC)2
;
令
L'
L
(1 2LC)2
则
Z R' jL'
从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及 有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它 会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量 中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的 灵敏度重新进行校准。
为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙 式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全 一致。
第4章 电感式传感器 图4-3 差动变隙式电感传感器
第4章 电感式传感器 4.1.3 测量电路
电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥 以及谐振式等。
1.
从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电 感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线 绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有 功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。 于是可得到电感式传感器的等效电路如图4-4所示。
其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动， 使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。 即一个电感量增大，一个电感量减小。电感的这种变化通 过电桥电路转换成电压输出，所以只要用检测仪表测量出 输出电压，即可得知被测压力的大小。
第4章 电感式传感器 4.1.5
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。
sensor4 - 电感式传感器测量电路和典型应用
电感式传感器
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
四、电感式传感器测量电路
4.1、自感式传感器测量电路 4.1.1 调幅电路 （1）变压器电路
U U U0 Z1 Z1 Z 2 2
初始平衡时：Z1 Z2 , U o 0 当衔铁偏离中间零点时：
L 2arctan( ) R
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
4.2 互感式传感器测量电路
相敏检波电路 工作条件：
R1 R2 R0
C1 C2 C0
er , e1
同频同相且
er e1
CD端输出电压值与既与衔铁位移大小正比， 电压正负代表衔铁移动方向。
5 测转速
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
6 板厚测量
~
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
7 电感式接近传感器（金属）
北京理工大学机电学院
第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
8 零件加工过程控制
北京理工大学机电学院
2、力的测量
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
4、振动测量
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第四章 电感式传感器 误差理论与数据处理 第四章
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第四章电感式传感器
C形 弹 簧 管
线 圈1
输出
调 机械 零 点螺 钉
线圈2 衔铁
P
～
变隙式差动电感压力传感器
当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管 产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端连 接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感 发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量 增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过 电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测 压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量 出输出电压， 即可得知被测压力的大小。
– 工作可靠、寿命长 – 灵敏度高，分辨力高 – 精度高、线性好 – 性能稳定、重复性好第四章电感式传感器
4.1 变磁阻式传感器（自感式）
4.1.1 工作原理
变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
铁芯和衔铁由导磁材料制成。
L1
线圈
A1
铁芯
W
L2
A2 第四章电感式传感器
衔铁
L1 A1
W
L2
• 衔铁上移
L
– 切线斜率变大
L
L0＋L
K0
L0
101 0 0 2
• 衔铁下移
L0
– 切线斜率变L0小－L
L
o －K0L010＋1－ 0 0 2－
第四章电感式传感器
与线性度
• 衔铁上移：
LL 0非 线 性 部 分 0 2 0 3
• 衔铁下移：
LL 0非 线 性 部 分－ 0 2 0 3－
• 无论上移或下移，非线性都将增大。
第四章电感式传感器
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
2
3
1
L1
Ro
U s
U o
1—铁 芯 ；
Ro
2—线 圈 ；
L2
3—衔 铁
2
差动变隙式电感传感器
第四章电感式传感器
衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式 （4-10）及式（4-12）表示， 差动传感器电感的总变化
第四章电感式传感器
4.2 差动变压器式传感器 （互感式）
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：变隙式、变面积式和螺线管式 等。
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1～100mm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。
式中, Rm为磁路总磁阻。
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
RmL 1A 11L 2A 22 20A0
第四章电感式传感器
（4-2）
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
2 0 A0 2
l1
1 A1 l2
0 A0
2 A 2
（4-4）
线圈 铁芯
A2
衔铁
在铁芯和衔铁之间有气隙，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。
第四章电感式传感器
线圈中电感量可由下式确定：
（4-1）
N2
L I Rm
可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
第四章电感式传感器
(4-10) (4-11)
同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有
L
L0
0
1
0
0
2
0
3
（4-12）
L L0
0
1
0
0
L0
0 A0 N 2 2 0
（4-7）
当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ， 则此 时输出电感为
LL0
L N20A0 2(0 )
1L0
第四章电感式传感器
0
（4-8）
当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）：
LL 0 LL 0 1 0 0 2 0 3 （4-9）
气隙面积A0的传感器。
目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。
第四章电感式传感器
4.1.2
L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图5-2所示。
L N2 N20A0
L
Rm
2
L0＋L
L0 L0－L
o － ＋
图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性
第四章电感式传感器
4.1.2 输出特性
分析：
当衔铁处于初始位置时，
2
0
3
（4-13）
对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得
L L0 0
第四章电感式传感器
（4-14）
K0
L
L
0
（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 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。
第四章电感式传感器
与K 0
L/ L0
2
2
0
单线圈的非线性项（忽略高次项)：
L /
L0
0
由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。
第四章电感式传感器
4.1.4
线圈 铁芯
衔铁
U~ A
膜盒
P
变隙电感式压力传感器结构图
当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力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化，电流表 A的指示值就反映了被测压力的大小。
第4章 电感式传感器
4.1 变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器
第四章电感式传感器
• 电感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/ 测量电路 互感系数M
电压或 特点：
量ΔL=L1-L2, 具体表达式为
LL 1L22L 0 0 1 0 2 0 4
对上式进行线性处理, 即忽略高次项得
L 2
L0
0
第四章电感式传感器
灵敏度K0为
K0
L
2L
0
比较单线圈式和差动式：
① 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。
3
②
差动式的非线性项(忽略高次项)：
则式（4-3）可写为
Rm
2 0 A0
（4-5）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L N2 N20A0
Rm
2
第四章电感式传感器
（4-6）
L N2 N20A0
Rm
2
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A0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