不足
存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
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主要章节内容
• 4.1 自感式传感器 • 4.2 差动变压器式传感器 • 4.3 电涡流传感器
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4.1 自感式传感器
• 自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变
的原理制成的，主要用来测量位移。
• 自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺 线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式 两种结构形式。
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4.2.1 基本工作原理
螺线管式差动变压器结构示意图 1— 一次绕组 2—二次绕组 3—衔铁 4—测杆
螺线管式差动变压器原理图
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输出特性
零点残余电动势
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零点电势
• 零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特 性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余 电动势，可采用以下方法。
• （1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁 路对称。
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4.1.3自感式传感器应用举例
• 用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚 度、压力、流量、液位等非电量。
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1．自感式测厚仪
1—可动铁芯 2—测杆 3—被测物体
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2．位移测量
1—引线 2—线圈 3—衔铁 4—测力弹簧 5—导杆 6—密封罩 7—测头
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其他电感测微头
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4.2 差动变压器式传感器
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• 如果保持上式中其他参数不变，而只改变其中一 个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的 单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻 抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。
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4.3.2 电涡流传感器基本结构和类型
• 1．电涡流传感器基本结构 • 2．电涡流传感器基本类型
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1．电涡流传感器基本结构
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4.3.1 电涡流传感器的工作原理
• 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属 导体的电涡流效应。
• 而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、 磁导率μ以及几何形状有关，又与线
圈几何参数、线圈中激磁电流频率
有关，还与线圈与导体间的距离x有 关。因此，传感器线圈受电涡流影响 时的等效阻抗Z的函数关系式为Z=F 电涡流传感器原理图 （ρ，μ，R，，x）
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课堂小结
1、电感式传感器工作原理，能测量哪些物理量？ 2、三种自感式传感器的工作原理、特点、应用范围； 3、带相敏整流交流电桥是怎样判断衔铁移动方向的？ 4、零点残余电压是如何产生的，对传感器性能会产 生何种影响，如何消除它？
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4.3电涡流传感器
• 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场 中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋 状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效 应。
• 电涡流式传感器的基本结 构主要由线圈和框架组成。 根据线圈在框架上的安置 方法，传感器的结构可分 为两种形式：一种是单独 绕成一只无框架的扁平圆 形线圈，由胶水将此线圈 粘接于框架的顶部
图4-26 CZF3型电涡流式传感器 1—壳体 2—框架 3—线圈 4—保护套
5—填料 6—螺母 7—电缆
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1．振动和加速度的测量
振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
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2．力和压力的测量
1—上部 2—衔铁 3—线圈 4—变形部 5—下部
差动变压器式力传感器
微压力传感器
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电感式微压力传感器 1—差动变压器 2—衔铁
3—罩壳 4—插头 5—通孔 6—底座 7—膜盒
8—接头 9—线路板
• （2）选用合适的测量电路。 • （3）采用补偿线路减小零点残余电动势。
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4.2.2 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。
•
Uo
L 2L0
•
U2
• 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电 路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大
小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感 变化量呈线性关系。
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2．带相敏整流的交流电桥
• 上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源， 则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输 出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。
• 常采用带相敏整流的交流电桥。
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结构
带相敏整流的交流电桥电路
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（1）初始平衡位置时
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
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（2）活动铁芯向一边移动时
铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
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结果
在Ui的正半周
Uo
VD
VC
Z 2Z0
1
(
1 Z
)2
Ui
2Z0
在Ui的负半周
Uo
VD VC
Z 2Z0
• 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， 另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用 极其广泛。
53 高频反射式电涡流传感器
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（2）低频透射式
低频透射式电涡流传感器
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4.3.3 测量电路
• 1．电桥电路 • 2．调幅式（AM）电路 • 3．调频（FM）式电路（100kHz～1MHz）
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1．电桥电路
• 静态时，电桥平衡，桥路输出 UAB＝0。工作时，传感器接近 被测体，电涡流效应等效电感L 发生变化，测量电桥失去平衡， 即UAB≠0，经线性放大后送检 波器检波后输出直流电压U。
• 当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电 感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频 率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记 录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。
• 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
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变化时
• 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 ，
Z1 Z0 Z Z2 Z0 Z• NhomakorabeaUo
( Z0 Z 2Z0
1 2
•
)U
2
Z 2Z0
•
U2
20
变化后的电压
• 当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于 其感抗
• 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
定义 利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。
感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。
分类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、 电涡流式。 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。
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优 点
① 结构简单、可靠 ② 分辨率高
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
1
第4章 电感式传感器及应用
2015/10/12
主讲人： 李静
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引言
根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量 发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电 磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。
电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实 现测量的一种装置.
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电感式传感器
原理
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
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内容
• 4.1.1 结构和工作原理 • 4.1.2 自感式传感器的测量电路 • 4.1.3 自感式传感器应用举例
自感式传感器的基本工作原理演示
F
8
衔铁移动 磁路中气隙磁阻变化
线圈的电感值变化
9
4.1.1 基本工作原理
由于Nm LI ,
Fm
NI , m
Fm Rm
铁芯 可得： L N 2
线圈
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1．差动整流电路
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4.2.3 差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还 可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加 速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。
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差动变压器式测厚仪
➢ L1、L2传感器作两个桥臂；C1、C2为另外两个桥臂； D1-D4组成相敏整流器;磁饱和变压器T提供桥压。
2．电涡流传感器基本类型
• 电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的 激励信号频率有关，故电涡流式传感器可分为高 频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电 涡流传感器应用较广泛。
（1）高频反射式
• 高频（>1MHz）激励电流产 生的高频磁场作用于金属板的 表面，由于集肤效应，在金属 板表面将形成涡电流。与此同 时，该涡流产生的交变磁场又 反作用于线圈，引起线圈自感 L或阻抗ZL的变化。线圈自感 L或阻抗ZL的变化与金属板距 离h、金属板的电阻率ρ、磁导 率μ、激励电流i及角频率ω等 有关，若只改变距离h而保持 其他参数不变，则可将位移的 变化转换为线圈自感的变化， 通过测量电路转换为电压输出。 高频反射式涡流传感器多用于 位移测量。
1—测杆 2—衔铁 3—线圈
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特性
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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4.1.2 自感式传感器的测量电路
• 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用 的差动式传感器大多采用交流电桥式 。
• 交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双 臂工作方式。