西安交通大学：《非电量电测技术》课程教学课件（教案讲义）第4章 电感式传感器

第4章电感式传感器电量非电量L或M测量电感式传感器电路U或I电感式传感器是利用电磁感应，把被测量物理量，如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变换量输出，实现非电量的测量。·主要特点：结构简单，无活动触点，工作可靠，寿命长。YV灵敏度和分辨率高。传感器输出功率大，有利于信号传输。重复性好，线性度好。Y灵敏度、线性度和测量范围相互制约，随着测量范围增大分辨率下降。传感器自身频响较低，不适用于快速动态测量。O电感式传感器的分类：1.自感型（基于磁路几何参数）：变气隙式、变面积式、螺管插铁式（差动式）；2.互感型（基于磁路几何参数）差动变压器式：变气隙式、变面积式、螺管插铁式;3电涡流型：高频反射式、低频透射式。应用案例引导：差动变压器式滚珠直径分选装置mB心1一悬臂梁：X2一差动变压器TTAAx(t)v由悬臂染和差动变压器构成加速度传感器。测量时，将悬臂梁底座和差动变压器的骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相接触，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，加速度测量转变为位移的测量，使得传感器的输出按相同规律变化

第 4 章 电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应，把被测量物理量，如位移、压力、流量、振 动等转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变 换量输出，实现非电量的测量。  主要特点：  结构简单，无活动触点，工作可靠，寿命长。  灵敏度和分辨率高。传感器输出功率大，有利于信号传输。  重复性好，线性度好。  灵敏度、线性度和测量范围相互制约，随着测量范围增大分辨率下降。  传感器自身频响较低，不适用于快速动态测量。  电感式传感器的分类： 1.自感型（基于磁路几何参数）：变气隙式、变面积式、螺管插铁式（差动式）； 2.互感型（基于磁路几何参数）差动变压器式：变气隙式、变面积式、螺管插铁 式； 3.电涡流型：高频反射式、低频透射式。 应用案例引导：差动变压器式滚珠直径分选装置 由悬臂梁和差动变压器构成加速度传感器。测量时，将悬臂梁底座和差动变 压器的骨架固定，而将衔铁的 A 端与被测振动体相接触，此时传感器作为加速 度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比。当被测体带动衔铁以 x(t) 振动时，加速度测量转变为位移的测量，使得传感器的输出按相同规律变化

4.1变气隙式自感传感器1.工作原理1根据电感的定义?NdL=11由磁路欧姆定理dININΦ=RMR,+R,28其中R=R,-ApAMALNμAL.R,>>Re则: Lo << He28如果把衔铁的工作位移，限制在初始气隙左右较小的范围内。48 = (0.1~0.2) 8S曲线可近似看作一条直线。2.传感器特性NμoANμo AL.2828,衔铁向下移动，气隙增大↑时，电感的绝对变化量和相对变化量N?μA1NμoA. - d1AL= L-L.2288.S.dA8AsAS1AAL_, -8+ASL.88.8.8+A88.41+0.ASASAs+07.8.同理，衔铁向上移动，气隙△LA()()-{L因此，非线性误差

4.1 变气隙式自感传感器 1．工作原理 根据电感的定义 N L I I     由磁路欧姆定理 M F IN IN = R R +R   其中 F F F l R  A  ， 2 0 R A     0  F R >> RF 则 2 2 N 0A L    如果把衔铁的工作位移，限制在初始气隙左右较 小的范围内。   (0.1~0.2) 0 曲线可近似看作一条直线。 2．传感器特性 2 0 2 N A L    0 0 ， 2 0 1 2 N A L    1 衔铁向下移动，气隙增大↑时，电感的绝对变化量和相对变化量 2 2 2 2 N A L L L ( N )  A                0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 L L                                                  2 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1                           2 3 0 0 0 同理，衔铁向上移动，气隙↓ 2 3 L L                             0 0 0 0 因此，非线性误差

△L△L上移：4下移：LoL.△L10Lo8传感器的灵敏度AL_ LoS=18-8提高S方法：减少初始间隙80；增加线圈匝数N和截面积A。结论：变气隙式自感传感器用于测量微小位移量。4.2差动式电感传感器1.结构和原理I1=I2，81=8218=-42螺线管式差动电感传感器与特性：详细讲解2.特性差动传感器接测量电桥后，电桥输出与差动电感L1和L2的总变化量L,+ L, =(L,+△ L) +(Lo+△ L, ASAOAo22-2,S.0可见，由于消除了偶次项，大大降低了非线性误差，灵敏度提高一倍

L L L L                                                3 3 0 0 0 0 2 2 0 0 上移： ，下移： 2 ( ) l L L        0 0 0 传感器的灵敏度 L L S       0 0 提高 S 方法：  减少初始间隙δ0；  增加线圈匝数 N 和截面积 A。 结论：变气隙式自感传感器用于测量微小位移量。 4.2 差动式电感传感器 1．结构和原理 I  I    1 2 ， 1 2    1 2 螺线管式差动电感传感器与特性：详细讲解 2．特性 差动传感器接测量电桥后，电桥输出与差动电感 L1 和 L2的总变化量 1 2 0 1 0 2 L L = ( L + L ) ( L L )                                                                                                       2 3 2 3 1 1 1 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3 1 1 0 0 0 2 L L L 可见，由于消除了偶次项，大大降低了非线性误差，灵敏度提高一倍

(b）变截而式(a）变隙式(c）螺线管式(a）单边式(b）差动式1-线圈2-铁芯3-衔铁4-测杆5-导轨6-工件7-转轴3.测量电路（一）交流电桥1）单臂电桥△ZU. =1Z.Z, = R+ jo LAZ,=[R+jO(L+△L)-(R+jOL)=jO△Llu.jOAL.=-10.4Z-lAL4~s Z4 R+joLL特点：缺乏相角平衡，单臂电桥无法平衡！2.半桥（差动电感传感器）△L, = -△L23-U-sU.Z,+ Z,2Us Z,- Z,Us(R+ joL,)-(R+ joL)2 (R+ joL)+(R+ joL,)2 Z,+Z

1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-测杆 5-导轨 6-工件 7-转轴 3．测量电路 （一）交流电桥 1） 单臂电桥 1 0 1 1 4 S Z U = U Z     Z1 = R+ 1 j L 1  1 1  1 1  Z  R+ j( L + L )  ( R+ j L )= j L 1 1 1 0 1 1 1 1 1 4 4 4 S S S Z j L L U U U U Z R+ j L L                1 特点：缺乏相角平衡，单臂电桥无法平衡！ 2. 半桥（差动电感传感器）  L1   L2 2 0 1 2 2 S S Z U U = U Z +Z     2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 0 0 ( ) ( ) ( ) 2 2 ( )+( ) 2 2( ) 2 US Z Z US R+ S S j L R+ j L U j L L U L = = Z +Z R+ j L R+ j L R+ j L L                  

特点：用交流表测量电压有效值，可判断移动大小，但无法判断移动方向。AU（二）变压器式交流电桥UsU,ZUsALZ,~z222Z,+ Z2Lo特点：具有电气隔离！可判断其移动大小，但无法判断其移动方向（三）带相敏整流的交流电桥设衔铁向上移动，详细讲解电路运行过程。D

特点：用交流表测量电压有效值，可判断移动大小，但无法判断移动方向。 （二）变压器式交流电桥 2 0 1 2 0 2 2 2 S S S S Z U U Z U L U = U - - Z + Z Z L           特点：具有电气隔离！可判断其移动大小，但无法判 断其移动方向 （三）带相敏整流的交流电桥 设衔铁向上移动，详细讲解电路运行过程

1.3差动变压器式传感器（互感式）1.结构与工作原理绕组外露式铁芯非磁性杆u2e21uie22区区Xe22区Xe21uie22U, = E21- E22M,e21u22.等效电路当次级开路时，初级线圈的交流电流为：uiU.e22iti=Mr+joLE,=-joM,i E22=-joM,iU.U, = E21- E2 =- jo(M,- M,)r+joL.. U, =0(M-M,)Ulr?+(oL,)特点：输出电压U2的大小与互感的差值成正比不同情况的分析：:.U,=01）活动衔铁置于中间位置时，M,=M,=M

1. 3 差动变压器式传感器（互感式） 1．结构与工作原理 U2 = E21 E22    - 2．等效电路 当次级开路时，初级线圈的交流电流为： 1 1 1 + 1 U I = r j L   E21 = 1 1 22 2 1  j M I E =  j M I     1 2 21 22 1 2 1 = ( ) U U = E E j M M r+ j L          2 2 2 1 1 1 2 1 ( ) +( ) U U L M = M r     特点：输出电压 U2的大小与互感的差值成正比. 不同情况的分析： 1）活动衔铁置于中间位置时， M1 = M 2 = M U2 =0 ；

2）活动衔铁置于向上移动时，M=M+△MM,=M-AM20AMU:U,A U2e22Vr? +(α L,)1）活动衔铁置于向下移动时，M,=M-△MM,=M+AM实际特性曲线理论特性曲线20AMUx..U, =ULSr+(oL)0特点：有零点残余电压。交流电压U2仅能反映移动距离，不能判断方向。零点残余电压产生的原因：①二次线圈电气参数和几何尺寸的结构不对称；②铁芯材料的磁化曲线的非线性，使得输出电压由高次谐波；③励磁电压的谐波影响。零点残余电压的消除方法：①尽量保证传感器尺寸、电气参数和磁路的对称；②采用适当的测量电路，如差动整流或相敏检波电路；③用补偿电路减小残余电压。如二次侧串并联电阻电容。3.测量电路1)差动整流电路2BUab = 0.9U21 Ude = 0.9U22 U。=Uab -UdeUo4x0

2）活动衔铁置于向上移动时， M1 = M   M M 2 = M   M 1 2 2 2 1 1 2 Δ +( ) M U U = r L    1）活动衔铁置于向下移动时， M1 = M   M M2 = M   M 1 2 2 2 1 1 2 Δ +( ) MU U = r L     特点：有零点残余电压。交流电压 U2 仅能反映 移动距离，不能判断方向。 零点残余电压产生的原因： 1 二次线圈电气参数和几何尺寸的结构不对称； 2 铁芯材料的磁化曲线的非线性，使得输出电压由高次谐波； 3 励磁电压的谐波影响。 零点残余电压的消除方法： 1 尽量保证传感器尺寸、电气参数和磁路的对称； 2 采用适当的测量电路，如差动整流或相敏检波电路； 3 用补偿电路减小残余电压。如二次侧串并联电阻电容。 3．测量电路 1） 差动整流电路 ab 21 U = 0.9U dc 22 U = 0.9U 0 ab dc U =U -U

高阻抗负载的电压输出型161低阻抗负载的电流输出型2）带相敏检波的测量电路38T讲解交流电桥电路与传感器之间的接法特点：解决判断大小和相位的同时，简化电路，提升零点分辨能力。工作原理（正半周）讲述当衔铁向上移动时，电路工作原理。+OXuW向上移动工作原理（正半周）讲述当衔铁向下移动时，电路工作原理

2） 带相敏检波的测量电路 讲解交流电桥电路与传感器之间的接法。 特点：解决判断大小和相位的同时，简化电路，提升零点分辨能力。 工作原理（正半周） 讲述当衔铁向上移动时，电路工作原理。 工作原理（正半周） 讲述当衔铁向下移动时，电路工作原理

上移T3）环形相敏检波电路环形相敏检波电路差动变压器传感器人e2分析环形相敏检波电路的作用，电路与传感器之间的接法。给相敏检波电路前后，加入两个变压器，施加电压U2。由于有u21=u22，为了便于对所施加u2电压在电路中的作用，进行独立分析，暂时把左侧变压器T看成是短路。即传感器处于平衡下，传感器输出u。=0，则变压器付边的感应电压为零。uui=ou=ou,u,作用：交流正半周u2具有打开下组两个二极管的开关作用。交流负半周u2具有打开上组两个二极管的开关作用。利用仿真电路讲解整点电路的工作过程

3）环形相敏检波电路 分析环形相敏检波电路的作用，电路与传感器之间的接法。给相敏检波电路 前后，加入两个变压器，施加电压 u2。 由于有 u21 = u22 ，为了便于对所施加 u2 电压在电路中的作用，进行独立分 析，暂时把左侧变压器 T1看成是短路。即传感器处于平衡下，传感器输出 uo =0， 则变压器付边的感应电压为零。 作用：交流正半周 u2 具有打开下组两个二极管的开关作用。交流负半周 u2 具有打开上组两个二极管的开关作用。 利用仿真电路讲解整点电路的工作过程

3u,结论：鉴别位移方向和大小，且可输出电流信号。4.5电涡流式传感器电涡流式传感器（互感式）的特点：结构简单，体积小，灵敏度高，频响宽，非接触。讲解电涡流传感器的各种实际应用。1.结构及原理线圈12R金属板i2(p、μ、h)Th以反射式为例，由法拉第定律可知，通以正弦交流i的传感器线圈，在空间产生交变磁场H1，使靠近它的金属导体中感应出电流i2，这就是电涡流效应。同时i2又产生新的交变磁场H2，根据楞次定律，H2的作用反抗原磁场H1，涡流产生一分部能量的消耗，使得传感器线圈的等效阻抗发生变化。当金属导体置于变化的磁场中，产生的电涡流在金属导体的纵深方向并不均匀，仅集中在金属导体的表面，这种现象称为集肤效应。涡流效应：涡流圆心与线圈圆心重合；作用范围：2r=0.529D，2R=1.39D；涡流阻抗：与被测材料p、u、f、h、x有关；ph=透射深度：元uouf

结论：鉴别位移方向和大小，且可输出电流信号。 4. 5 电涡流式传感器 电涡流式传感器（互感式）的特点：结构简单，体积小，灵敏度高，频响宽， 非接触。 讲解电涡流传感器的各种实际应用。 1．结构及原理 以反射式为例，由法拉第定律可知，通以正弦交流 i1的传感器线圈，在空间 产生交变磁场 H1，使靠近它的金属导体中感应出电流 i2，这就是电涡流效应。 同时 i2又产生新的交变磁场 H2，根据楞次定律，H2的作用反抗原磁场 H1， 涡流产生一分部能量的消耗，使得传感器线圈的等效阻抗发生变化。 当金属导体置于变化的磁场中，产生的电涡流在金属导体的纵深方向并不均 匀，仅集中在金属导体的表面，这种现象称为集肤效应。  涡流效应：涡流圆心与线圈圆心重合；  作用范围：2r =0.529D，2R =1.39D；  涡流阻抗：与被测材料 ρ、μ、f、 h 、x 有关；  透射深度： f h    0  ；