传感器与检测技术3.1自感式传感器
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3.1 自感式传感器
2 3 L0 1 L0 0 0 0 0
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对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得
L L0 0
灵敏度为
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差动式电感传感器
图3-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差 动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个 线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差 动形式。
3 1
4 4
3
4
1 4 （c） 螺管型
3
2 2 1 （a） 变气隙型 （b） 变面积型
图3-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
l
r 1 r 1 c r
2
l c x l
根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为
dL1 dL2 0W 2 r 1rc2 k1 k2 dx dx l2
两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为
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3.调相电路
传感电感变化将引起输出电压相位变化
2 tg 1 (L / R)
2(L / R) Δ L Δ 1 (L / R) 2 L
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4.自感传感器的灵敏度
传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度
k t (Δ L / L) / Δ x
电感式传感器
优点： ①结构简单、可靠，测量力小 ②分辨力高 机械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度 较好，且比较稳定。 ④能实现远距离传输、记录、显示和控制。 不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
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对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得
L L0 0
灵敏度为
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差动式电感传感器
图3-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差 动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个 线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差 动形式。
3 1
4 4
3
4
1 4 （c） 螺管型
3
2 2 1 （a） 变气隙型 （b） 变面积型
图3-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
l
r 1 r 1 c r
2
l c x l
根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为
dL1 dL2 0W 2 r 1rc2 k1 k2 dx dx l2
两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为
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3.调相电路
传感电感变化将引起输出电压相位变化
2 tg 1 (L / R)
2(L / R) Δ L Δ 1 (L / R) 2 L
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4.自感传感器的灵敏度
传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度
k t (Δ L / L) / Δ x
电感式传感器
优点： ①结构简单、可靠，测量力小 ②分辨力高 机械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度 较好，且比较稳定。 ④能实现远距离传输、记录、显示和控制。 不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
传感器与检测技术ppt课件第三章
• 力传感器
差动变压器式力传感
器原理结构图如图所
示。它是利用力作用
下引起弹性元件形变，
然后弹性元件的形变
带动差动变压器的衔
铁运动，从而产生相
2024/7/13 应地电流或电压输出
42
第43页/共62页
差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式电感测微仪
2024/7/13
43
第44页/共62页
3.3 电涡流传感器
• 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的， 气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀 分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料 的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片， 500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度 考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。
第40页/共62页
差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式加速度传感器是 由悬臂梁和差动变压器构成， 其结构如图所示。
2024/7/13
振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
40
第41页/共62页
差动变压器式传感器的应用
• 力平衡式差压计
2024/7/13
41
第42页/共62页
差动变压器式传感器的应用
2024/7/13
32
第33页/共62页
测量电路
• 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。 另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量 时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。
5.电感式传感器3-1教学教案
2.变气隙式自感传感器的测量原理
教学难点
1.自感式传感器的测量原理
2.变气隙式自感传感器的测量原理
参考教材
《传感器与智能检测技术》秦洪浪 郭俊杰主编 机械工业出版社ISBN978-7-111-65262-5
教
学
内
容
『新课导入』
电感式传感器利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等的变化转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由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。
授课题目
（章节）
第3章 电感式传感器
3.1 自感式传感器
3.2 变气隙式自感传感器
建议课时
2
授课方式
理论知识讲授+课堂提问讨论+多媒体演示
所属专业
教学目标
1.掌握自感式传感器的测量原理
2.掌握变气隙式自感传感器的测量原理
3.了解单线圈和差动两种变气隙式自感传感器的特性
教学重点
1.自感式传感器的测量原理
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如张力、压力、压差、
加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
『授课内容』
3.1 自感式传感器
自感式传感器（见图3-1）又称电感式位移传盛器，是由铁芯、线圈和衔铁构成的，是将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。铁芯和衔铁由导磁材料制成。这种传感器的线圈匝数和材料磁导率都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
（3-3）
当气隙很小时，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
教学难点
1.自感式传感器的测量原理
2.变气隙式自感传感器的测量原理
参考教材
《传感器与智能检测技术》秦洪浪 郭俊杰主编 机械工业出版社ISBN978-7-111-65262-5
教
学
内
容
『新课导入』
电感式传感器利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等的变化转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由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。
授课题目
（章节）
第3章 电感式传感器
3.1 自感式传感器
3.2 变气隙式自感传感器
建议课时
2
授课方式
理论知识讲授+课堂提问讨论+多媒体演示
所属专业
教学目标
1.掌握自感式传感器的测量原理
2.掌握变气隙式自感传感器的测量原理
3.了解单线圈和差动两种变气隙式自感传感器的特性
教学重点
1.自感式传感器的测量原理
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如张力、压力、压差、
加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
『授课内容』
3.1 自感式传感器
自感式传感器（见图3-1）又称电感式位移传盛器，是由铁芯、线圈和衔铁构成的，是将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。铁芯和衔铁由导磁材料制成。这种传感器的线圈匝数和材料磁导率都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
（3-3）
当气隙很小时，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
传感器与检测技术课件--自感式传感器
差动变压器分为变气隙式、变面积式与螺管式三种类型。
3.2.2 变隙式差动变压器
图(a)所示的 型差动变压器，当忽略铁芯、衔铁 磁阻，且Q足够大，其输出 U B A W2 U
o
当衔铁上移Δδ时，δA=δ0-Δδ，δB=δ0+Δδ
B A W1
i
W 2 U o U i W1 0
3.2.2 变隙式差动变压器
输出特性曲线
W 2 U o U i W1 0
差动变压器在零 位移时的输出电 压称为零点残余 电压。
3.2.2 变隙式差动变压器
变气隙式差动变压器特性汇总：
输出电压与供电电源成正比，因此要求供电电源有较高 的稳定性，适当提高电源电压可提高灵敏度；
当衔铁下移Δδ时，则
W 2 Uo Ui W1 0 W2 U i K 灵敏度 W1 0
3.2.2 变隙式差动变压器
W 2 U o U i W1 0
输出电压幅值反 映衔铁位移大小 ，相位则反映衔 铁位移方向。
设输入电压ui是频率1kHz正弦波，(1)画出衔铁 上移时副线圈1和2电压波形，uo的波形；(2)当衔 铁在平衡位置附近低频振动时，画出一个振动周 期内的输出电压uo波形。（以变隙式差动变压器 为例）
（2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐 波不同，不能互相抵消。
37
零点残余电压危害： • 使传感器输出特性在零点附近的范围内不 灵敏，限制着分辨力的提高。 • 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵 敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用 信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。
38
减小零点残余电压措施：
NI 由磁路欧姆定律 NI RmΦ Φ Rm
3.2.2 变隙式差动变压器
图(a)所示的 型差动变压器，当忽略铁芯、衔铁 磁阻，且Q足够大，其输出 U B A W2 U
o
当衔铁上移Δδ时，δA=δ0-Δδ，δB=δ0+Δδ
B A W1
i
W 2 U o U i W1 0
3.2.2 变隙式差动变压器
输出特性曲线
W 2 U o U i W1 0
差动变压器在零 位移时的输出电 压称为零点残余 电压。
3.2.2 变隙式差动变压器
变气隙式差动变压器特性汇总：
输出电压与供电电源成正比，因此要求供电电源有较高 的稳定性，适当提高电源电压可提高灵敏度；
当衔铁下移Δδ时，则
W 2 Uo Ui W1 0 W2 U i K 灵敏度 W1 0
3.2.2 变隙式差动变压器
W 2 U o U i W1 0
输出电压幅值反 映衔铁位移大小 ，相位则反映衔 铁位移方向。
设输入电压ui是频率1kHz正弦波，(1)画出衔铁 上移时副线圈1和2电压波形，uo的波形；(2)当衔 铁在平衡位置附近低频振动时，画出一个振动周 期内的输出电压uo波形。（以变隙式差动变压器 为例）
（2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐 波不同，不能互相抵消。
37
零点残余电压危害： • 使传感器输出特性在零点附近的范围内不 灵敏，限制着分辨力的提高。 • 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵 敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用 信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。
38
减小零点残余电压措施：
NI 由磁路欧姆定律 NI RmΦ Φ Rm
检测技术的基础知识-精品课程——传感器与检测技术ppt课件
第3章 变磁阻式传感器
.
3.1 自Leabharlann 式传感器3.1.1 基本自感式传感器
1.工作原理 基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔
铁组成，结构如图3.1所示。
L N 20S 2
电感式传感器又可分为变气隙长度的传感器 和变气隙面积的传感器。前者常用于测量直线位 移，后者常用于测量角位移。
图3.1 变间隙自感式传感器
.
图3.2 差动变间隙式电感传感器 图3.3 螺管型电感式传感器
3.1.4 测量电路
1．电阻平衡臂电桥 U & o( (Z Z 11 Z Z 22) ) 2 R RU & s2(Z Z 1 1 Z Z 2 2)U & s
当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。
．
U0 K
K 称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵 敏度。K的物理意义是：衔铁单位移动量引起 的电桥输出电压。K值越大，灵敏度越高。
图3.13所示为差动全波整流电压输出
波形。
图3.12 差动整流电路图
.
图3.13 差动整流波形
2．相敏检波电路
图3.14 二极管相敏检波电路
u0处于正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，形成两条电流 通路，等效电路如图3.15所示。电流通路1为
u
01
→C→VD2→B→ u
22
→u
22
在负载开路情况下，输出电压为
U&2 2jwMgR1U& j1wL1
图3.8 螺线管式差动变压器
由于在一定的范围内，互感的变化 M 与位移x成正比，所以的变化与位移的变化 成正比。
.
图3.9 等效电路
实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不 等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电 压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与 理论特性不完全一致。特性曲线如图3.10所示。
.
3.1 自Leabharlann 式传感器3.1.1 基本自感式传感器
1.工作原理 基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔
铁组成，结构如图3.1所示。
L N 20S 2
电感式传感器又可分为变气隙长度的传感器 和变气隙面积的传感器。前者常用于测量直线位 移，后者常用于测量角位移。
图3.1 变间隙自感式传感器
.
图3.2 差动变间隙式电感传感器 图3.3 螺管型电感式传感器
3.1.4 测量电路
1．电阻平衡臂电桥 U & o( (Z Z 11 Z Z 22) ) 2 R RU & s2(Z Z 1 1 Z Z 2 2)U & s
当衔铁偏离中间位置时，电桥失去平衡。
．
U0 K
K 称为差动电感传感器连成四臂电桥的灵 敏度。K的物理意义是：衔铁单位移动量引起 的电桥输出电压。K值越大，灵敏度越高。
图3.13所示为差动全波整流电压输出
波形。
图3.12 差动整流电路图
.
图3.13 差动整流波形
2．相敏检波电路
图3.14 二极管相敏检波电路
u0处于正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，形成两条电流 通路，等效电路如图3.15所示。电流通路1为
u
01
→C→VD2→B→ u
22
→u
22
在负载开路情况下，输出电压为
U&2 2jwMgR1U& j1wL1
图3.8 螺线管式差动变压器
由于在一定的范围内，互感的变化 M 与位移x成正比，所以的变化与位移的变化 成正比。
.
图3.9 等效电路
实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不 等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电 压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与 理论特性不完全一致。特性曲线如图3.10所示。
传感器与检测技术3.1 自感式传感器(教学课件)
1.调幅电路
(1) 变压器电路
输出空载电压 Z1 Z2 Z，u0 0
u0
Z1
u
Z2
Z1
u 2
u 2
Z1 Z1
Z2 Z2
初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0
衔铁偏离中间零点时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
u0 (u / 2) (Δ Z / Z)
使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用
13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。20.1 0.620.1 0.608:1 8:0908: 18:09October 6, 2020
14、抱最大的希望，作最大的努力。2 020年1 0月6日 星期二 上午8时18分9秒08:18: 0920.1 0.6
15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。202 0年10月上午8时18分 20.10.608:18Oc tober 6, 2020
1. 自感式位移传感器 2. 自感式压力传感器
1. 自感式位移传感器
1 传感器引线 4 电感线圈 7滚珠导轨 10玛瑙测端
2 铁心套筒 5弹 簧 8测 杆
3 磁芯 6 防转件 9 密封件
2.自感式压力传感器
变隙式自感压力传感器结构图
变隙差动式电感压力传感器 End the 3.1
9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。20.10. 620.10.6Tuesd ay, October 06, 2020
传感器灵敏度的单位为 mV/(μm·V)
电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏
3.1 自感式传感器
3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例
3检测技术-电感式传感器
L2
L2
L20
L0
0
0
2
0
3
差动自感传感器测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
两个桥臂为传感器的线圈，另外两个为平衡电阻
交流电桥结构示意图
等效电路
初始状态时：
Z10 r1 jL1, Z20 r2 jL2 , Z3 Z4 R
r1 r2 r0 ,
L1 L2 L0 ,
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
传感器衔铁移动方向相反时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向 相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。
3.1.6 零点残余电压
Z10 Z20 Z0
衔铁上移时：Z1 Z0 Z1,
Z1 jL1
Z2 Z0 Z2 ,
输出电压为：
Z2 jL2
U0
U AC
(Z0 Z1)R (Z0 Z2 )R 2R(Z0 Z1 Z0 Z2 )
U AC 2
Z1 Z2 2Z0 Z1 Z2
U0
U AC 4
Z1 Z2 UAC
• u0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。
• u0和u2由同一振荡器提供，保证二者同频、 同相（或反相）。
当位移Δx = 0时
i3
i1
i2
i4
当位移Δx = 0时，UL=0
当位移Δx > 0时, u2 与u0同频同相, 当位 移Δx< 0时 , u2与u0 同频反相。
布电容。
e
e1
零点残余电压的波形
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考传感器与检测技术复习题基础知识自测题第一章传感器的通常特性1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。
2.传感器的基本特性通常用其特性和特性去叙述。
当传感器转换的被测量处在动态时，测出的输入一输出关系称作特性。
3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的特性，其主要技术指标有：、、和等。
4.传感器实际曲线与理论直线之间的称作传感器的非线性误差，其中的与输入满度值之比称作传感器的。
5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。
对传感器来说，其灵敏度是常数。
6.传感器的动态特性就是指传感器测量时，其输入对输出的特性。
7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。
8.只体会由敏感元件输入的，并且与成确认关系的另一种非电量，然后输入电量的元件，称作元件。
第二章电阻式传感器1.电阻应变片就是将被测试件上的转换成的传感元件。
2.电阻应变片由、、和等部分共同组成。
3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。
4.金属电阻应变片脆弱栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最少，材料Infreville的最为广为。
5.电阻应变片的工作原理就是依据快速反应效应创建与变形之间的量值关系而工作的。
6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受到一维形变时，应变片灵敏系数k就是应变片的与试件主应力的之比。
7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。
8.电阻应变片的温度补偿中，若使用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上时，则补偿应变片不。
9.用弹性元件和及一些附件可以共同组成快速反应式传感器.10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。
11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。
3.1 自感式传感器
根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度。 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度。
返
回
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线圈的灵敏度为
dL1 dL2 πµ 0W (µ r − 1)r k1 = −k 2 = =− = 2 dx dx l
2
2 c
上式表明两只线圈的灵敏度大小相 符号相反，具有差动特征。 等，符号相反，具有差动特征。
3.1 自感式传感器
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 工作原理 变气隙式自感传感器 变面积式自感传感器 螺线管式自感传感器 自感式传感器测量电路 自感式传感器应用举例
自感： 自感： 当一个线圈中的电流变化时， 当一个线圈中的电流变化时，线圈 的磁通也随着变化， 的磁通也随着变化，线圈本身将产生感 应电动势，这种现象称为自感。 应电动势，这种现象称为自感。 产生的感应电动势称为自感电动势。 产生的感应电动势称为自感电动势。
∆δ ∆δ 2 ∆δ 1 + ∆L = L 0 + δ + ⋯ δ0 δ0 0
∆L ∆δ = L0 δ0
返 回
∆δ ∆δ + ⋯ 1 + + δ δ0 0
2
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同理， 同理，当衔铁随被测物体的初始位置 向下移动时，有 向下移动时，
L 0 = L10 = L 20 =
πr µ 0W
2
2
l
2 rc l c 1 + (µ r − 1) r l
分别为线圈Ⅰ 的初始电感值； L10，L20分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值； l为线圈的长度； 为线圈的长度； 为线圈的长度 W为每个线圈的匝数； 为每个线圈的匝数； 为每个线圈的匝数 为活动铁心的相对导磁率； µr为活动铁心的相对导磁率； 活动铁心半径； rc为活动铁心半径； 2lc为活动铁心长度。 为活动铁心长度。
自动检测第三章课件
自动检测第三章 18
自感传感器直接检测的非电量是微小位移，配 合各种敏感元件，它也可完成能够转换为微小 位移的其他非电量的检测。图3-6是利用自感 传感器测量压力的示意图，可用来测量液位。
图3-6 利用自感传感器测量压力
自动检测第三章
19
图3-7所示为采用差动自感传感器测量压力差 的原理结构。若 P1 P2 ，则衔铁处于对称位置， P P2 L1 L2 即处于零位，此时有 ；若 时，则下 1 面的电感增大，上面电感减小，压力差与电感 变化具有确切对应关系。如果某密闭压力容器 内部储存的是具有固定密度的液体，则其底部 压力与顶部压力之差和液位之间将具有确切对 应关系，则图3-7可用来测量其液位。
自动检测第三章 29
3) 采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿 电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四 种： ①附加串联电阻以消除基波同相成分； ②附加并联电阻以消除基波正交成分； ③附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量； ④附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐 波分量。串联电阻的阻值很小，为0.5－5Ω ，并 联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数 值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。
当
0
，将（3-5）用泰勒级数展开
L L0 L L0 [1
0
(
0
)2 ]
自动检测第三章
6
当衔铁下移幅度为
时，线圈自感变为
L L0[1
0
(
0
) (
2
0
)3 ]
变气隙长度型传感器 与 L 呈非线性关 系，而且在位移幅度相同但位移方向不同时， 所引起的电感变化的绝对量并不完全相同。但 在 的前提下，作线性化处理，可得
自感传感器直接检测的非电量是微小位移，配 合各种敏感元件，它也可完成能够转换为微小 位移的其他非电量的检测。图3-6是利用自感 传感器测量压力的示意图，可用来测量液位。
图3-6 利用自感传感器测量压力
自动检测第三章
19
图3-7所示为采用差动自感传感器测量压力差 的原理结构。若 P1 P2 ，则衔铁处于对称位置， P P2 L1 L2 即处于零位，此时有 ；若 时，则下 1 面的电感增大，上面电感减小，压力差与电感 变化具有确切对应关系。如果某密闭压力容器 内部储存的是具有固定密度的液体，则其底部 压力与顶部压力之差和液位之间将具有确切对 应关系，则图3-7可用来测量其液位。
自动检测第三章 29
3) 采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿 电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四 种： ①附加串联电阻以消除基波同相成分； ②附加并联电阻以消除基波正交成分； ③附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量； ④附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐 波分量。串联电阻的阻值很小，为0.5－5Ω ，并 联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数 值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。
当
0
，将（3-5）用泰勒级数展开
L L0 L L0 [1
0
(
0
)2 ]
自动检测第三章
6
当衔铁下移幅度为
时，线圈自感变为
L L0[1
0
(
0
) (
2
0
)3 ]
变气隙长度型传感器 与 L 呈非线性关 系，而且在位移幅度相同但位移方向不同时， 所引起的电感变化的绝对量并不完全相同。但 在 的前提下，作线性化处理，可得
传感器与检测技术第3章 电感式传感器
则根据电磁感应原理，可得电感量表达式为
由磁路欧姆定律 ，Rm为磁路总磁阻，因而有
若忽略磁路磁损，则上式可改写为
如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙 式自感传感器，如图3-1a所示。若保持δ不变，使S 随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感 传感器，如图3-1 b所示。若线圈中放入圆柱形衔 铁，则是一个可变自感，当衔铁上、下移动时， 自感量将相应发生变化，这就构成了螺线管型自 感传感器，
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为 高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理 上来说仍是相似的。
电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表 面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连 续测量，此外还具有体积小、灵敏度高、频率响应 宽等特点，应用极其广泛。
4．压力的测量
差动变压器式传感器还可测量压力、压差等 力学参数。图3-23为微压传感器。在无压力时， 固接在膜盒中心的衔铁6位于差动变压器5的中 部，因而输出为零。当被测压力P由接头1输入 到膜盒中时，膜盒的自由端产生一个正比于被 测压力的位移，并且带动衔铁6在差动变压器 中移动，因而得到能反映被测压力的输出电压。
3.位移测量 图3-12 a是轴向式测试头的结构示意图;图3-12
b是电感测微仪的原理框图。测量时测头的测 端与被测件接触，被测件的微小位移使衔铁在 差动线圈中移动，线圈的电感值将产生变化， 这一变化量通过引线接到交流电桥，电桥的输 出电压就反映被测件的位移变化量。
3.2 互感式传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的 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，并且二次绕组都用 差动形式连接，故也称差动变压器式传感器。 差动变压器式传感器的结构形式较多，有变隙 式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基 本一样。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范围 内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。
由磁路欧姆定律 ，Rm为磁路总磁阻，因而有
若忽略磁路磁损，则上式可改写为
如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙 式自感传感器，如图3-1a所示。若保持δ不变，使S 随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感 传感器，如图3-1 b所示。若线圈中放入圆柱形衔 铁，则是一个可变自感，当衔铁上、下移动时， 自感量将相应发生变化，这就构成了螺线管型自 感传感器，
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为 高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理 上来说仍是相似的。
电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表 面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连 续测量，此外还具有体积小、灵敏度高、频率响应 宽等特点，应用极其广泛。
4．压力的测量
差动变压器式传感器还可测量压力、压差等 力学参数。图3-23为微压传感器。在无压力时， 固接在膜盒中心的衔铁6位于差动变压器5的中 部，因而输出为零。当被测压力P由接头1输入 到膜盒中时，膜盒的自由端产生一个正比于被 测压力的位移，并且带动衔铁6在差动变压器 中移动，因而得到能反映被测压力的输出电压。
3.位移测量 图3-12 a是轴向式测试头的结构示意图;图3-12
b是电感测微仪的原理框图。测量时测头的测 端与被测件接触，被测件的微小位移使衔铁在 差动线圈中移动，线圈的电感值将产生变化， 这一变化量通过引线接到交流电桥，电桥的输 出电压就反映被测件的位移变化量。
3.2 互感式传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的 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，并且二次绕组都用 差动形式连接，故也称差动变压器式传感器。 差动变压器式传感器的结构形式较多，有变隙 式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基 本一样。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范围 内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。
3-1 自感式传感器
Δ
2 ( L / R ) 1 ( L / R )
此变面积自感传感器自感L为：
L W l
2
0s
l ：气隙总长度
l ：铁芯和衔铁中的磁路 总长度
磁导率
l
W 0
2
l l / r
s K s
0 r s'
S ：气隙磁通截面积 S '：铁芯和衔铁中磁通截 面积
r：铁芯和衔铁材料相对
3.1.3 变面积式自感传感器
灵敏度
2
3
3.1.2 变气隙式自感传感器
对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得
L L0
0
灵敏度为
k0 L / L0 1
0
变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的， 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
rc 1 r 1 r
2
lc l
L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；
3.1.4 螺线管式自感传感器
当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小
L1
r 0W
2
2
l
rc l c x 1 r 1 r l
b)变面积型
c)螺线管型
线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将
相应变化，构成螺线管型自感传感器。
3.1.1 工作原理
特 点：
– 结构简单、工作可靠、测量力小 – 分辨率高、能测量0.1um以下的机械位移，能感受 0.1角秒的转角位移变化。 – 传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大， 一般每毫米的变化可达数百毫伏的输出。 – 重复性能好、线性度宽且较稳定。 – 不宜于高频动态信号的测量。
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。
《传感器技术及应用 》课件第3章 电感式传感器-11.26
•
当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，
W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而e2a增加， 而e2b减小。反之，e2b增加，e2a减小。因为 Uo=e2a−e2b，所以当e2a、e2b 随着衔铁位移x变 化时，Uo也必将随x而变化。
由图可以看出， 当衔铁位于中心位置时，差动变压器 输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输 出电压称为零点残余电压，记作ΔUo，它的存在使传感器 的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全 一致。
，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移 动时，气隙厚度发生改变，导致电感线圈的
电感值变化，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。
电感传感器原理演示
F
气隙变小，电感变大， 电流变小。
图3-1 变磁阻式传感器 1—线圈；2—铁芯（定铁芯）；3—衔铁（动铁芯）
线圈中电感量为:
本章内容
3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器
学习目标
• 了解三种电感式传感器（自感式传感器、差 动变压器、电涡流传感器）的结构、工作原 理和测量电路。
• 掌握三类电感式传感器的各自特点、应用范 围和典型应用。
3.1 自感式传感器
3.1.1 工作原理
自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分 组成。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为
交流变压器式以及谐振式等几种形式。
1．交流电桥式测量电路
• 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂
Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替， 设Z1=Z+ΔZ1，Z2=Z－ΔZ2，Z是衔铁在中间位置 时单个线圈的复阻抗，ΔZ1，ΔZ2分别是衔铁
偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。
3-1浙江工大自感式传感器
17
—传感器与检测技术—
当衔铁向上移动时，
2 L1 L0 1 0 0 0
（3.1.21） (3.1.22)
2 1 L2 L0 0 0 0
为 L0，当衔铁处于初始位置时，初始电感量
L0 N 2 0 s0 2 0
图3.1.2 变隙式电感传感器 L- δ特性
13
—传感器与检测技术—
N 2 N 2 0 S0 L Rm 2
（3.1.8）
L L0 L
0
当衔铁上移Δδ
0
N 2 0 S0 L0 L L0 L 2( 0 ) 1
L / L0 1 KL 0
（3.1.17）
0
100 %
15
—传感器与检测技术—
分析说明
• 输入-输出特性是非线性的。
L / L0 1 KL 0
0
100 %
• 测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，欲提高变气隙式厚
度自感传感器的灵敏度，需要减小气隙厚度，因此变隙式自 感式传感器适用于测量微小位移场合。
（3.1.3）
（3.1.4）
其中
l l RF 1 2 1 S1 2 S 2
2 R 0 S
将式（3.1.4）代入式（3.1.3），得 N2 （3.1.5） L li 2 S S i i 0
10
—传感器与检测技术—
当铁芯的结构和材料确定之后
L f ( , S )
低。
7
—传感器与检测技术—
3.1 自感式传感器
• 原理：
—传感器与检测技术—
当衔铁向上移动时，
2 L1 L0 1 0 0 0
（3.1.21） (3.1.22)
2 1 L2 L0 0 0 0
为 L0，当衔铁处于初始位置时，初始电感量
L0 N 2 0 s0 2 0
图3.1.2 变隙式电感传感器 L- δ特性
13
—传感器与检测技术—
N 2 N 2 0 S0 L Rm 2
（3.1.8）
L L0 L
0
当衔铁上移Δδ
0
N 2 0 S0 L0 L L0 L 2( 0 ) 1
L / L0 1 KL 0
（3.1.17）
0
100 %
15
—传感器与检测技术—
分析说明
• 输入-输出特性是非线性的。
L / L0 1 KL 0
0
100 %
• 测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，欲提高变气隙式厚
度自感传感器的灵敏度，需要减小气隙厚度，因此变隙式自 感式传感器适用于测量微小位移场合。
（3.1.3）
（3.1.4）
其中
l l RF 1 2 1 S1 2 S 2
2 R 0 S
将式（3.1.4）代入式（3.1.3），得 N2 （3.1.5） L li 2 S S i i 0
10
—传感器与检测技术—
当铁芯的结构和材料确定之后
L f ( , S )
低。
7
—传感器与检测技术—
3.1 自感式传感器
• 原理：
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传感器衔铁移动方向相反时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
空载输出电压
u0 (u / 2) (Δ Z / Z)
两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180 为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位， 要在后续电路中配置相敏检波器来解决
(2) 相敏检波电路
当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。 这时当电源u上端为正，下端为负时， 电阻R1上的压降大于R2上的压降； 当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降， 电压表V输出上端为正，下端为负。
传感器灵敏度的单位为 mV/(μm·V)
电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏
3.1 自感式传感器
3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例
3.1.6 自感式传感器应用举例
L C
G
f
f 1/ 2 LC
0
L
灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合
Δ f (LC)3/ 2 CΔ L / 4 ( f / 2) (Δ L / L)
3.调相电路
传感器电感变化将引起输出电压相位变化
2 tg 1(L / R)
பைடு நூலகம்
Δ 2(L / R) Δ L 1 (L / R)2 L
1. 自感式位移传感器 2. 自感式压力传感器
1. 自感式位移传感器
1 传感器引线 4 电感线圈 7滚珠导轨 10玛瑙测端
2 铁心套筒 5弹 簧 8测 杆
3 磁芯 6 防转件 9 密封件
2.自感式压力传感器
变隙式自感压力传感器结构图
变隙差动式电感压力传感器 End the 3.1
1.调幅电路
(1) 变压器电路
输出空载电压 Z1 Z2 Z，u0 0
u0
Z1
u
Z2
Z1
u 2
u 2
Z1 Z1
Z2 Z2
初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0
衔铁偏离中间零点时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
u0 (u / 2) (Δ Z / Z)
使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用
非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路
使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向， 而且还消除零点残余电压的影响，
(3) 谐振式调幅电路
电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。
2.调频电路
传感器自感变化将引起输出电压频率的变化 f
3.1 自感式传感器
3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例
3.1.5 自感式传感器测量电路
1. 调幅电路 2. 调频电路 3. 调相电路 4. 自感传感器的灵敏度
4.自感传感器的灵敏度
传感器结构灵敏度
kt (Δ L / L) /Δ x
转换电路灵敏度
kc u0 /(Δ L / L)
总灵敏度 kz kt kc u0 /Δ x
气隙型、变压器电桥 传感器
k z
1
0
(L) 2 R2 (L)2
u 2
第一项决定于传感器的类型
第二项决定于转换电路的形式
第三项决定于供电电压的大小