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第4章 电感传感器讲解

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传感器原理及应用第4章 电感式传感器.ppt

传感器原理及应用第4章 电感式传感器.ppt

4电感式传感器
传感器原理及应用
2. 传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和 Z2, 另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 其 输出电压
U AC Z1 U AC jL U AC L U0 2 Z1 2 R0 j L0 2 L0
4电感式传感器
传感器原理及应用
U0 U AC ( / ) 代入 L 2L0 ( / )
4电感式传感器
传感器原理及应用
差动变压器结构形式
4电感式传感器
传感器原理及应用
有变隙式、变面积式和螺线管式
一、螺线管式差动变压器工作原理 由初级线圈 , 两个次级线圈和铁芯等组成。
4电感式传感器
传感器原理及应用
分为一节、二节、三节、四节和五节式
等类型.
一节式灵敏度高,
三节式零点残余电压较小,
常采用的是二节式和三节式两类。
4电感式传感器
传感器原理及应用
4
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
4.3 电涡流式传感器
4电感式传感器
传感器原理及应用
4.1 电感式传感器
利用电磁感应原理将被测非电量如位移、
压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感
量 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。
4电感式传感器
传感器原理及应用
传感器衔铁下移时,
则Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ, 此时
U Z U L U0 2 Z 2 L



4电感式传感器
传感器原理及应用
衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的 大小相等, 但方向相反.

电感式传感器PPT课件

电感式传感器PPT课件
图4－10 变隙电感式压力传感器结构图
第4章 电感式传感器
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。
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。
（4-3）
第4章 电感式传感器
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
则式（4-3）可写为
2 0S0
l1
1S1
2 0S0
l2
2S2
Rm
2 0S0
（4-4） （4-5）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L W 2 W 20S0
Rm
2
（4-6）
第4章 电感式传感器
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。

传感器课件第四章电感式传感器

传感器课件第四章电感式传感器

提高测量精度与稳定性
优化结构设计
通过改进线圈结构和优化封装方 式，提高电感式传感器的测量精 度和稳定性，减少环境因素对传 感器性能的影响。
误差补偿技术
采用先进的误差补偿技术，如温 度补偿、非线性补偿等，能够有 效减小传感器测量误差，提高测 量精度和可靠性。
降低成本与推广应用
批量生产与自动化制造
通过实现电感式传感器的批量生产和 自动化制造，降低生产成本，提高生 产效率，进一步推广应用。
CHAPTER
工作原理
感应线圈
磁场变化
电感式传感器通常由一个或多个感应线圈 组成，当被测物体接近或穿过感应线圈时 ，会引起线圈电感量的变化。
感应线圈中的电流产生磁场，当被测物体 接近或穿过线圈时，会引起磁场的变化。
磁阻效应
输出信号
当磁场发生变化时，线圈的磁阻会随之改 变，从而影响线圈的电感量。
电感式传感器的输出信号通常为电感量的 变化，可以通过测量电路转换为电压或电 流信号。
谢谢
THANKS
完成数据采集、处理和分析。
微型化
随着微电子技术的不断发展，电感 式传感器的体积和重量逐渐减小，
未来将更加注重微型化设计。
A
B
C
D
网络化
随着物联网技术的不断发展，电感式传感 器将逐渐实现网络化，能够实现远程控制 和数据传输。
多功能化
未来电感式传感器将逐渐向多功能化发展， 能够同时实现多种参数的检测和测量。
05 电感式传感器的未来发展与挑战
CHAPTER
新材料与新技术的应用
新型磁性材料
随着新材料技术的不断发展，新型磁 性材料如稀土永磁材料、铁氧体等在 电感式传感器中的应用将更加广泛， 以提高传感器的性能和稳定性。

电感式传感器30295

电感式传感器30295

不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。
电感式传感器
第4章 电感式传感器
§4.1 自感式传感器
§4.2 差动式变压器
§4.3 电涡流式传感器
应用实例
4.1 自感式传感器
第4章 电感式传感器
➢ 气隙型电感传感器 ➢ 螺管型电感传感器 ➢ 电感线圈的等效电路 ➢ 测量电路
4.1 自感式传感器
实验：
4.1 自感式传感器
单线圈气隙型电感传感器：
灵敏度：
KL
L l
1 l
1 l
r
线性度： l 1 l 1 l l r
差动式气隙型电感传感器：
2
灵敏度：K L
L 2
l
1 l
1 l
r
线性度：
l l
1 l
1 l
r
2.差动式自感传感器非线性失真小.
当Δlδ/lδ=10％时 (略去l／lδ·μr), 单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。
4.1 自感式传感器
单线圈气隙型电感传感器：
灵敏度：
KL
L l
1 l
1 l
r
线性度： l 1
l 1 l l r
差动式气隙型电感传感器：
2
灵敏度：K L
L 2
l
1 l
1 l
r
线性度：
l l
1 l
1 l
r
1. 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传 感器提高一倍.
差动式气隙型电感传感器
l
r
1 l
l
L L1 l r l
L
l r l l
L1
l
1
l
1
L

传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器

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。

电感式传感器优质课件

电感式传感器优质课件
这种测微仪旳动态测量范围为 mm，辨别率为1 ，精度可到达3%。
铁芯1 线圈1
L1 弹簧
测量杆 工件
衔铁 L2
线圈2 铁芯2
R
U
U o
R
4.2 差动变压器电感式传感器 （互感式）
把被测旳非电量变化转换为线圈互感变化旳传感器 称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器旳基本原 理制成旳，而且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变 压器电感式传感器。
❖ 这种传感器是把被测位移量转换为初级线圈与次级线圈间旳互感量 M变化旳装置。
则式（4-3）可简化为
Rm
2 0 A0
（4L-4）I
N
I
IN
Rm
（4-6）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L N 2 N 20 A0
Rm
2
（4-7）
L N 2 N 20 A0
Rm
2
• 当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm 旳函数
• 变化δ或A0均可造成电感变化，
差动式变间隙电感传感器旳敏捷度是单线圈式旳两倍。
3
差动式旳非线性项(忽视高次项)：
L /
L0
2
0
2
单线圈旳非线性项（忽视高次项)：
L /
L0
0
因为Δδ/δ0<<1，所以，差动式旳线性度得到明显改善。
差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点。 1. 线性度高。 2. 敏捷度高，即衔铁位移相同步，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旳影响，
变气隙差动电感式压力传感器
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 旳衔铁运动，使线圈1和线圈2中旳 电感发生大小相等、符号相反旳变 化。即一种电感量增大，另一种电 感量减小。电感旳这种变化经过电 桥电路转换成电压输出。因为输出 电压与被测压力之间成百分比关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电 压， 即可得知被测压力旳大小。

第4章 电感式传感器

(c) 四节式
3
(d) 五节式
图4.12 差动变压器线圈各种排列形式 1 一次线圈；2 二次线圈；3 衔铁
三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范 围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。
2.2 工作原理
以三节式差动变压器为例，将两个匝数相等的次级绕组的 同名端反向串联，当初级绕组W1加以激磁电压时，根据变压器 的作用原理在两个次级绕组W2a和W2b中就会产生感应电势，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，输出电压为零。
U1 U 2 j ( M 1 M 2 ) R1 jL1 其有效值为： (M1 M 2 )U1 U2 R12 (L1 ) 2
.
E 21 jM 1 I.1 . E 22 jM 2 I1
.
.
R1
M1
.
． U1 ～ M2
L21 L22 R22
U2
． ～ E22
(c)、(d) 螺线管式差动变压器
(e)、(f) 变面积式差动变压器
二次绕组
二次绕组 衔铁
一次绕组
图4.11 螺线管式差动变压器的结构示意图
螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节 式、四节式和五节式等形式。 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2
2
(a) 二节式
3
(b) 三节式
2
II. 变面积型灵敏度较小，但线性较好，量程较大； III.螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单。
1.4 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 池吸力，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。

4电感式传感器


第四章 电感式传感器
2、相敏检波电路
第四章 电感式传感器
3、集成化的相敏检波电路
输出电压是通过零点的一条直线，+x输出正电压，-x位 移输出负电压，电压的正负表明了位移方向.
第四章 电感式传感器
第三节 电涡流式传感器
涡流式传感器最大的特点是能对位 移、厚度、表面温度、电解质浓度、 速度、应力、材料损伤等进行非接触 式测量，另外还具有体积小、灵敏度 高、频率响应很宽等特点，所以应用 极其广泛。
Uo
UAC 2
z1 z2 z1 z2
UAC 2
z z
UAC 2
jL
,(4 13)
R0 jL
同 理 ， 当 衔 铁 下 移 相 同距 离 时 ：
Uo
UAC 2
jL
,(4 14)
R0 jL
第四章 电感式传感器
设 线 圈Q L 1， 忽 略 损耗 电 阻 ， （4 13） 、
R0
（4 14） 可 写 为 ：Uo
第四章 电感式传感器
当衔铁偏离中间位置，向上 或向下移动时，造成两边气隙 不一样，使两只电感线圈的电 感量一增一减，电桥不平衡。 电桥输出电压的大小与衔铁移 动的大小成比例，其相位则与 衔铁移动量的方向有关。 若向下移动，输出电压为正； 若向上移动，输出电压为负。
因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可以决 定衔铁位移的大小和方向。衔铁带动连动机构就可以测量多 种非电量，如位移、液面高度、速度等。
第四章 电感式传感器
5、电感式传感器应用举例 （1）差动式电感测厚仪
第四章 电感式传感器
2、涡流式传感器应用 （a）位移测量（b）振幅测量（c）转速测量
第四章 电感式传感器
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当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的
电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时， 磁阻变小、电感变大，电流减小。因此，可以利用自感量
随200气8-10-隙3 而改变的原理来制作测量位移的自感式传感器。
2
退出
自感式电感传感器常见的形式
变隙式
变截面式
单线圈螺线管式 电感传感器，当衔 铁工作在螺线管的 中部时，可以认为 线圈内磁场强度是 均匀的，此时线圈 电感量L与衔铁插入 螺线管式 深度l大致成正比。
线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内
部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能
利用0~4mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提
供200工8-10-作3 电流，使一次仪表成为两线制仪表。
25
退出
4~20mA二线制仪表接线方法
4~20mA
4~20mA二线制数显表外形
当衔铁处于中间位置时：它的平衡臂为变压器的二次侧绕组，当负
载阻抗无穷大时输出电压为
.
.
.
.
U 0 = U Z2 /(Z1 +
桥路平衡，输出电压=0。
Z2) -
U 2
=
U 2
(Z1
-
Z2) /(Z1 +
Z2)
由于是双臂工作形式，当衔铁下移
时，Z1= Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，则有
.
.
U0
=
U
ΔZ
2Z
2008-10-3
在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的输出
信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，
且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表
中多采用电流输出型。
4~20mA二线制输出方式
新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出为1~5V。
不让信号占有0~4mA这一范围的原因，一方面是有利于判断
的变化等基本上可以互相抵消，
衔铁承受的电磁吸力也较小，
从而减小了测量误差。
5
退出
差动式电感传感器的特性
请分析：灵敏度、线性 度有何变化
从曲线图可以看出，差动 式电感传感器的线性较好，且 输出曲线较陡，灵敏度约为非
差动式电感传感器的两倍。
曲线1、2为L1、L2 的特性， 3为差动特性
2008-10-3
源频率以400Hz到10kHz为佳。 灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏
度越高。
2．线性范围
线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有 中间部分线性较好。
2008-10-3
13
退出
三、测量转换电路
差分变压器对测量转换电路的要求为： ①判别衔铁位移方向及大小； ②消除零点残余电压。
常用测量转换电路有差分相敏检波电路和差分整流电路。 1、相敏检波电路
变隙式和变截面式电感量计算公式 ：
2008-10-3
L N 20 A 2
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。
3
退出
请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积
A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。
对于变隙式电感传感器，电感L与气隙厚度δ成反比，输入 输出是非线性关系。δ小，灵敏度就高。为了保证一定的线 性度，变隙式电感传感器只能用于微小位移的测量。
第三章 电感式传感器
1、掌握自感式传感器的结构、工作 原理、测量电路以及应用； 2、掌握差动变压器的结构、工作原 理、测量电路及应用； 3、掌握一次仪表的相关知识。
2008-10-3
1
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
由电工知识可知，流过线圈的交流电流为
I U U U (31) Z X L 2 fL
同理，当衔铁上移时，则有
.
.
U ΔZ
U0 = -
2Z
8
退出
2．相敏检波电路
普通的全波整流：只能得到单一方向的直流电， 不能反映输入信号的相位。
相敏检波电路：如果输出电压 在送到指示仪前经过一个能判 别相位的检波电路，则不但可 以反映位移的大小，还可以反 映位移的方向，这种检波电路 称为相敏检波电路。相敏检波 电路的输出电压为直流，其极 Ui 性由输入电压的相位决定。采 用相敏检波电路，得到的输出 信号既能反映位移大小，也能 反映位移方向。
该圆度计采用旁向式电感测微头
2008-10-3
21
退出
电感式不圆度测试系统
旁向式电感测微头
不圆度测量打印
2008-10-3
22
退出
五、压力测量
2008-10-3
1—压力输入接头 2—波纹膜盒 3—电缆 4—印制线路板 5—差动线圈 6—衔铁 7—电源变压器 8—罩壳 9—指示灯 10—密封隔板 11—安装底座
线圈电感量与截面积是一种线性关系。但由于漏感等原 因，在A=0时，仍有较大电感，所以其线性区较小，而且 灵敏度较低。电感传感器的输出特性如图
a）变隙式电感传感器的-L特性曲线 b）变面积式电感传感器的A-L特性曲线
2008-10-3
4
1－实际输出特性 2－理想输出特性
退出
四、差动电感传感器
在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用
2008-10-3
26
退出
本章小结
本章学习自感式传感器和差动变压 器的结构、工作原理、测量电路以及 他们的应用，掌握一次仪表的相关知 识。
2008-10-3
27
退出
4）差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温 度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减 少了外界影响造成的误差。
2008-10-3
返7回
退出
五、测量转换电路
1．差动电感的变压器电桥转换电路
差动电感的变压器电桥转换电路如图。相邻两工作臂Z1、Z2是 差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。。
2008-10-3
18
退出
三、电感传感器在仿形机床中的应用
1—标准靠模样板 2—测端 （靠模轮） 3—电感测微 器 4—铣刀龙门框架 5—立柱 6—伺服电动机 7—铣刀 8—毛坯
2008-10-3
19
退出
仿形铣床外形
仿形头
仿形机床退出
四、电感式不圆度计原理
23
退出
压力测量用的膜盒
膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所 谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄 膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时， 膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压 力变换为直线位移。
某一压力变送器的测量电路
2008-10-3
24
退出
六、一次仪表与 4~20mA二线制输出方式
上图所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合
相敏检波电路要求比较电压和差动变压器次级输出电压
频率相同，相位相同或相反，通常在电路中接入移相电路。
另外由于比较电压在检波电路中是起开关作用的，因此其
2008-幅10-3 值应尽可能大，一般应为信号电压的3-5倍。
14
退出
2、差动整流电路
差动整流电路是常 用的电路形式，它对两 次级线圈的感生电动势 分别整流，然后再把两 个整流后的电流或电压 串成通路合成输出。
指线圈的“头”。
1－2008一-10次-3 线圈 2－二次线圈 3－衔铁 4－测杆
11
退出
差动变压器式传感器的等效电路 结构特点： 两个二次线圈反 向串联，组成差 动输出形式。
当位移x很小时：
Uo=k |x | （无法判别位移方向）
2008-10-3
差动变压器原理图
12
退出
二、主要性能
1．灵敏度 为了获得高的灵敏度，尽量提高励磁电压，电
励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互
感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采
用差动接法，故称为差动变压器。
＋
在线框上绕有一组输入线
圈在同一线框的上端和下端
再绕制两组完全对称的线圈，
它们反向串联，组成差动输
出形式。图中标有黑点的一
端称为同名端，通俗说法是
差动变压器结构示意图及外形图
2008-10-3
E D1 C
Z1
A Z2
D2 V D3 D4
F
D
Z3
B
U0
Z4
9
退出
相敏检波输出特性曲线
2008-10-3
a）非相敏检波 b）相敏检波 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
10
退出
第二节 差动变压器式传感器
一、工作原理
差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈
与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激
2008-10-3
返16回
退出
二、电感式滚柱直径分选装置
滚柱直径分选装置
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—容器（料斗）
2008-10-3
17
退出
电感式滚柱直径分选装置（外形）
（参考中原量仪股份有限公司资料）
滑道 分选仓位 轴承滚子外形
6
退出
总结
通过以上三种形式的电感式传感器的分析，可以得出以 下几点结论：
1）变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装 配比较困难；
2）变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大， 使用比较广泛；
3）螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。
电路是以两个桥路 整流后的直流电压之差 作为输出的，所以称为 差动整流电路。它不但 可以反映位移的大小 （电压的幅值），还可 以200反8-10-映3 位移的方向。