第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器第一节 自感式电感传感器第二节 差动变压器第三节 电涡流式传感器第三章 电感式传感器第一节 自感式电感传感器变间隙型、变面积型、螺管型本章目录电感式传感器工作原理,
利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变。
分为自感式和互感式两大类。
第三章 电感式传感器一,自感式电感传感器的工作原理
（一） 变间隙型电感传感器 δ
x
忽略磁路铁损
AA
l
A
lR
m
02
2
1
1 2
l为磁路长,μ为磁导率,δ为空气厚度,A为截面积。
mR
NI
I
N
L
mR
NL 2?
N,线圈匝数
Rm,磁路总磁阻第三章 电感式传感器
AA
l
A
l
N
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L
m
02
2
1
1
22
2
导磁体的磁阻相对于气隙磁阻是很小的，通常忽略不记
2
0
2 AN
L?
当 △ δ<<δ时
L
L
2
0
2
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ANLK
气隙 δ越小，灵敏度 K越大第三章 电感式传感器
（二）变面积型电感传感器
ANANL 22 0
2
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2
2
0
2N
K?
（三）螺管型电感式传感器
])1([4 222
22
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NL
第三章 电感式传感器
（四）差动自感传感器构成,两个相同的传感器线圈，共用一个衔铁。
1、工作时电感线圈一直有电流通过，衔铁始终受到单向电磁力的作用（吸引力），不能反映被测量的的变化方向。
2、易受到外界干扰。如：电源电压、频率变化，温度影响线圈电阻都会使输出产生误差。
优点,提高传感器的灵敏度，减小测量误差。
单一的自感传感器的 缺点,
第三章 电感式传感器二,自感式电感传感器的测量电路交流电桥 是电感传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的改变转换成电桥电路的电压或电流输出。
（一）电阻平衡臂电桥
Z1,Z2为差动的传感器阻抗，
R1=R2=R。
Z
ZUU
RR
RU
ZZ
ZU
221
1
21
1
0
L
LUU
20
当 时'RL
第三章 电感式传感器
（二 ） 变压器电桥
Z1,Z2为差动传感器阻抗
Z
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当 时'RL
第三章 电感式传感器前面所提到的测量电路皆因是使用交流电源，故只能判断其大小，而不能辨别其方向。因此我们选用相敏电桥来达到测量的目的。
1、指示仪表是中心刻度为零的直流电压表或数字万用表。
2、左边的 R是调节电桥平衡的，右边的 R是保护测量范围较小的表头。
a、衔铁处于中间
b、衔铁处于上移
c、衔铁处于下移
Z1=Z2=Z，平衡，输出为零
Z1=Z+△ Z,Z2=Z-△ Z
Z1=Z-△ Z,Z2=Z+△ Z
第三章 电感式传感器
b、衔铁处于上移
Z1=Z+△ Z,Z2=Z-△ Z
1）处于正半周
A点为正,B点为负，二极管 V1,V4导通,V2,V3截止。
C点电位比平衡时低，而 D点电位比平衡时高，电压表显示为正。
A点为负,B点为正，二极管 V2,V3导通,V1、
V4截止。 C点电位由于 Z2的减小而数值变大却更负了，
而 D点电位则由于 Z1增大而负值变小了，故 D点电位还是高于 C点，电压表显示为正。
2）处于负半周本节首页第三章 电感式传感器第二节 差动变压器一、工作原理互感传感器,将被测量转换为传感器线圈的 互感系数变化的传感器。 通常使用 差动式互感传感器,即 差动变压器 。
特点,结构简单，测量精度高，灵敏度高，测量范围广。
组成,一个线框（三组线圈）、一个铁心。
本章目录第三章 电感式传感器差动变压器与差动自感电感传感器的区别：
1、前者有三组线圈，而后者只有两组。
2、前者有激励源，而后者没有。
3、前者是利用变压器原理工作的互感传感器，而后者仅是共用一个铁心的两个电感。
U1
U21 U22
U2
铁心右移右侧线圈与一次绕组的磁阻减小，互感增大，右侧感应电动势增大，左侧减小，并逐渐趋向于空心电动势。
第三章 电感式传感器设两组绕组的输出电压为 U21,U22，
则差动变压器的输出电压为 U2=U21-U22，
e
e0
x
二次绕组的输出电动势
e
e0
x
差动变压器的输出特性
U21 U22
U2
第三章 电感式传感器二、等效电路
11
1
1 LjR
UI
一次绕组电流：
二次绕组的感应电动势：
11211 IMjUE
12222 IMjUE
第三章 电感式传感器空载时输出,
11
1
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有效值,
12
1
2
1
21
2 )(
)( U
LR
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输出阻抗,)(
22212221 LLjRRZ
所以，差动变压器可等效为电压为 U2，输出阻抗为 Z的电源。
第三章 电感式传感器三、零点残余电压及其消除方法理论上,两个二次线圈反向串联，当衔铁处于中间时，输出为零。
实际上,在所谓的零点往往输出信号不为零，这就会给测量带来误差。
产生原因：
1、两个线圈结构上不对称，引起两个二次电压的幅值和相位的平衡点不重合。
2、铁心材料 B-H曲线的弯曲部分导致输出电压中含高次谐波。
3、励磁电压中含高次谐波。
第三章 电感式传感器消除方法：
1、提高传感器几何尺寸、线圈电气参数喝磁路的对称。，
磁性材料要经处理，消除内部残余应力，使其性能均匀稳定。
2、采用适当的测量电路，送入放大器前加相敏整流，使输出电压更能反映铁心移动的大小和方向。而且可使零点残余电压小到忽略的程度。
3、采用适当的补偿电路，减小零点残余电动势。（利用调节电桥的方法）
第三章 电感式传感器四、线性范围理想情况,U2正比于铁心位移 x,成线性关系。
实际情况,铁心的直径、长度、材料以及线圈骨架的形状、大小的不同都对线性有影响。
改善线性：
绕线均匀，选择适当的激磁频率，铁心长度及负载
（一般较大）
采用相敏整流电路。
第三章 电感式传感器五、测量电路 （差动整流电路）
联结低阻抗负载，
电流输出型联结高阻抗负载，
电压输出型
1、全桥输出型
mA
V
第三章 电感式传感器
2、半桥输出型联结低阻抗负载，
电流输出型联结高阻抗负载，
电压输出型
mA V
第三章 电感式传感器六、电感式传感器的应用电感式传感器主要用于测量微位移，凡能转换成位移量的参数都可以用电感式传感器来进行测量。
1、位移测量
2、力和压力的测量
3、振动和加速度的测量
4、液位测量本节首页第三章 电感式传感器第三节 电涡流式传感器涡流效应,成块的金属置于变化的磁场中，或在磁场中运动时，金属体内要产生感应电流，这种电流线在金属体内是闭合的所以称为涡流。
用途：
可以对表面为金属导体的物体实现多种物理量的非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、温度、硬度等，也可用于无损探伤。
本章目录第三章 电感式传感器特点：
结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，非接触式测量的优势明显。
电涡流的大小：
与金属体的电阻率，磁导率，厚度，线圈与金属体的距离，线圈的励磁电流角频率有关。
电涡流渗透的深度：
与励磁线圈的频率有关。
高频反射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器第三章 电感式传感器一、工作原理
1I?
1H
2H
1U?
第三章 电感式传感器
121111 UIMjILjIR
022221 ILjIRIMj
]
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解之得等效电路图
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第三章 电感式传感器励磁线圈的 等效电感 为
2
2
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2
22
21 )( LR
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由此可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数 Q下降。
励磁线圈受金属导体影响后的 等效阻抗
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反射电阻 反射电感第三章 电感式传感器二、结构类型
1、高频反射式互感 M随线圈与金属体的距离的变化而变化，从而导致传感器线圈 L及 Z的变化。
2
2
2
2
22
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MLLL
第三章 电感式传感器
2、低频透射型 （常用于测量金属厚度）
1U?
2U?
1L
2L
L1发射线圈
L2接收线圈
δ金属体的厚度金属板内产生电涡流，消耗能量，从而使达到 L2
的磁力线减小，从而引起 U2下降。
第三章 电感式传感器三、电涡流传感器的应用
1、位移测量汽轮机主轴位移 磨床换向阀、先导阀位移金属材料的热膨胀系数
2、振幅测量第三章 电感式传感器
3、厚度测量测金属厚度或金属镀层厚度用大间隙减去两个小间隙
4、转速测量
5、涡流探伤第三章 电感式传感器四、测量电路
1、电桥法（阻抗测试法）
2、谐振法本章结束
（ 1）调幅法,L的变化 LC谐振回路阻抗的变化
LC回路的输出电压变化
（ 2）调频法,L的变化 振荡频率的变化传感器振荡器高频放大器限幅器鉴频器
xx LL ff uo
第三章 电感式传感器思考题：
1、试分析差动自感传感器的工作原理，差动相敏检波电路的工作原理，并分析后者的优点。
2、试分析差动变压器的工作原理。（画图帮助分析）
3、试分析电涡流传感器的工作原理。（画图帮助分析）
作业
利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变。
分为自感式和互感式两大类。
第三章 电感式传感器一,自感式电感传感器的工作原理
（一） 变间隙型电感传感器 δ
x
忽略磁路铁损
AA
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l为磁路长,μ为磁导率,δ为空气厚度,A为截面积。
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Rm,磁路总磁阻第三章 电感式传感器
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导磁体的磁阻相对于气隙磁阻是很小的，通常忽略不记
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当 △ δ<<δ时
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气隙 δ越小，灵敏度 K越大第三章 电感式传感器
（二）变面积型电感传感器
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（三）螺管型电感式传感器
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第三章 电感式传感器
（四）差动自感传感器构成,两个相同的传感器线圈，共用一个衔铁。
1、工作时电感线圈一直有电流通过，衔铁始终受到单向电磁力的作用（吸引力），不能反映被测量的的变化方向。
2、易受到外界干扰。如：电源电压、频率变化，温度影响线圈电阻都会使输出产生误差。
优点,提高传感器的灵敏度，减小测量误差。
单一的自感传感器的 缺点,
第三章 电感式传感器二,自感式电感传感器的测量电路交流电桥 是电感传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的改变转换成电桥电路的电压或电流输出。
（一）电阻平衡臂电桥
Z1,Z2为差动的传感器阻抗，
R1=R2=R。
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第三章 电感式传感器
（二 ） 变压器电桥
Z1,Z2为差动传感器阻抗
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第三章 电感式传感器前面所提到的测量电路皆因是使用交流电源，故只能判断其大小，而不能辨别其方向。因此我们选用相敏电桥来达到测量的目的。
1、指示仪表是中心刻度为零的直流电压表或数字万用表。
2、左边的 R是调节电桥平衡的，右边的 R是保护测量范围较小的表头。
a、衔铁处于中间
b、衔铁处于上移
c、衔铁处于下移
Z1=Z2=Z，平衡，输出为零
Z1=Z+△ Z,Z2=Z-△ Z
Z1=Z-△ Z,Z2=Z+△ Z
第三章 电感式传感器
b、衔铁处于上移
Z1=Z+△ Z,Z2=Z-△ Z
1）处于正半周
A点为正,B点为负，二极管 V1,V4导通,V2,V3截止。
C点电位比平衡时低，而 D点电位比平衡时高，电压表显示为正。
A点为负,B点为正，二极管 V2,V3导通,V1、
V4截止。 C点电位由于 Z2的减小而数值变大却更负了，
而 D点电位则由于 Z1增大而负值变小了，故 D点电位还是高于 C点，电压表显示为正。
2）处于负半周本节首页第三章 电感式传感器第二节 差动变压器一、工作原理互感传感器,将被测量转换为传感器线圈的 互感系数变化的传感器。 通常使用 差动式互感传感器,即 差动变压器 。
特点,结构简单，测量精度高，灵敏度高，测量范围广。
组成,一个线框（三组线圈）、一个铁心。
本章目录第三章 电感式传感器差动变压器与差动自感电感传感器的区别：
1、前者有三组线圈，而后者只有两组。
2、前者有激励源，而后者没有。
3、前者是利用变压器原理工作的互感传感器，而后者仅是共用一个铁心的两个电感。
U1
U21 U22
U2
铁心右移右侧线圈与一次绕组的磁阻减小，互感增大，右侧感应电动势增大，左侧减小，并逐渐趋向于空心电动势。
第三章 电感式传感器设两组绕组的输出电压为 U21,U22，
则差动变压器的输出电压为 U2=U21-U22，
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二次绕组的输出电动势
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差动变压器的输出特性
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第三章 电感式传感器二、等效电路
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一次绕组电流：
二次绕组的感应电动势：
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第三章 电感式传感器空载时输出,
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所以，差动变压器可等效为电压为 U2，输出阻抗为 Z的电源。
第三章 电感式传感器三、零点残余电压及其消除方法理论上,两个二次线圈反向串联，当衔铁处于中间时，输出为零。
实际上,在所谓的零点往往输出信号不为零，这就会给测量带来误差。
产生原因：
1、两个线圈结构上不对称，引起两个二次电压的幅值和相位的平衡点不重合。
2、铁心材料 B-H曲线的弯曲部分导致输出电压中含高次谐波。
3、励磁电压中含高次谐波。
第三章 电感式传感器消除方法：
1、提高传感器几何尺寸、线圈电气参数喝磁路的对称。，
磁性材料要经处理，消除内部残余应力，使其性能均匀稳定。
2、采用适当的测量电路，送入放大器前加相敏整流，使输出电压更能反映铁心移动的大小和方向。而且可使零点残余电压小到忽略的程度。
3、采用适当的补偿电路，减小零点残余电动势。（利用调节电桥的方法）
第三章 电感式传感器四、线性范围理想情况,U2正比于铁心位移 x,成线性关系。
实际情况,铁心的直径、长度、材料以及线圈骨架的形状、大小的不同都对线性有影响。
改善线性：
绕线均匀，选择适当的激磁频率，铁心长度及负载
（一般较大）
采用相敏整流电路。
第三章 电感式传感器五、测量电路 （差动整流电路）
联结低阻抗负载，
电流输出型联结高阻抗负载，
电压输出型
1、全桥输出型
mA
V
第三章 电感式传感器
2、半桥输出型联结低阻抗负载，
电流输出型联结高阻抗负载，
电压输出型
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第三章 电感式传感器六、电感式传感器的应用电感式传感器主要用于测量微位移，凡能转换成位移量的参数都可以用电感式传感器来进行测量。
1、位移测量
2、力和压力的测量
3、振动和加速度的测量
4、液位测量本节首页第三章 电感式传感器第三节 电涡流式传感器涡流效应,成块的金属置于变化的磁场中，或在磁场中运动时，金属体内要产生感应电流，这种电流线在金属体内是闭合的所以称为涡流。
用途：
可以对表面为金属导体的物体实现多种物理量的非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、温度、硬度等，也可用于无损探伤。
本章目录第三章 电感式传感器特点：
结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，非接触式测量的优势明显。
电涡流的大小：
与金属体的电阻率，磁导率，厚度，线圈与金属体的距离，线圈的励磁电流角频率有关。
电涡流渗透的深度：
与励磁线圈的频率有关。
高频反射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器第三章 电感式传感器一、工作原理
1I?
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第三章 电感式传感器
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第三章 电感式传感器励磁线圈的 等效电感 为
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由此可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数 Q下降。
励磁线圈受金属导体影响后的 等效阻抗
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反射电阻 反射电感第三章 电感式传感器二、结构类型
1、高频反射式互感 M随线圈与金属体的距离的变化而变化，从而导致传感器线圈 L及 Z的变化。
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第三章 电感式传感器
2、低频透射型 （常用于测量金属厚度）
1U?
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1L
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L1发射线圈
L2接收线圈
δ金属体的厚度金属板内产生电涡流，消耗能量，从而使达到 L2
的磁力线减小，从而引起 U2下降。
第三章 电感式传感器三、电涡流传感器的应用
1、位移测量汽轮机主轴位移 磨床换向阀、先导阀位移金属材料的热膨胀系数
2、振幅测量第三章 电感式传感器
3、厚度测量测金属厚度或金属镀层厚度用大间隙减去两个小间隙
4、转速测量
5、涡流探伤第三章 电感式传感器四、测量电路
1、电桥法（阻抗测试法）
2、谐振法本章结束
（ 1）调幅法,L的变化 LC谐振回路阻抗的变化
LC回路的输出电压变化
（ 2）调频法,L的变化 振荡频率的变化传感器振荡器高频放大器限幅器鉴频器
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第三章 电感式传感器思考题：
1、试分析差动自感传感器的工作原理，差动相敏检波电路的工作原理，并分析后者的优点。
2、试分析差动变压器的工作原理。（画图帮助分析）
3、试分析电涡流传感器的工作原理。（画图帮助分析）
作业
