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返回显了両劉Br图库J

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。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力

矩、应变等多种物理量。

电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量

转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利

用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。

丄3.1自感式传感器丄3.2变压器式传感器丄3.3涡

流式传感器丄3.4压磁式传感器

丄3.5感应同步器

*本章要点

©3.16自感式传感器的特点及应用

3.1自感式传感器

©3.1

©3.1

蛛3

・1

©3.1

©3.1

1自感式传感器的工作原理

2灵敏度与非线性

3等效电路T<1

4转换电路

5零点残余电压

3.1.1自感式传感器的工作原理

电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数W平方成

正比；与空气隙有效截面积S。成正比；与空气隙长度

1。所反比。

刪图3-1自感式传感器原理图

刪图3-2截面型自感式传感器

B为动铁芯（通称衔铁）A为固定铁芯辎图3-3差

动自感式传感器

3.L1自感式传感器的工作原理

截面型自感式传感器

3.1.1自感式传感器的工作原理

LT图

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3.L1自感式传感器的工作原理

差分自感式传感器

胆i

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L—,-a，—―•——二1■

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k丕页iHBr图

库J

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3.1.2灵敏度与非线性

气隙型其灵敏度为:差动式传感器其灵敏度:

S==

lo

以上结论在满足A1/1

0

从提高灵敏度的角度看，初始空气隙1。距离人应尽量小。其结

果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如釆

用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将

增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。

与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重，自

由行程小，制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动

式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，非线性大大减

小。

1=1

3.1.3等效电路

自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜

耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻抗Rq

表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部

分电容用集总参数C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图

3-4表示。

彎图3-4

电感线圈等效电路—Kg(3-7)

Rm—-磁路总磁阻；Za—-铁芯

部分的磁阻抗；Z。一空气隙的

磁阻抗。

式中

3.1.4转换电路

菇~|总：|十上页||十下页gj”

自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感

量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级

电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换成

电压（或电流）变化。把传感器电感接入不同的转换电路

后，原则上可将电感变化转换成电压（或电流）的幅值、

频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电

路。

3.1.4转换电路

菇~|总：|十上页||十下页gj”

3.1.4转换电路

菇~|总：|十上页||十下页gj”

•、调幅电路

调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图3-5(a)所示为

交流电桥的一般形式。桥臂Zi可以是电阻、电抗或阻抗元

件。当空载时，其输出称为开路输出电压，表达式如下。

式中U为电源电压。

«图3-5交流电桥的一般形式及等效电路

(a)电阻平衡臂电桥(b)变压器电桥

&图3-6交流电桥的两种实用形式

图3-7谐振式调幅电路

3.1.4转换电路

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3.1.4转换电路

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二、调频电路

调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输

出电压频率f的变化。一般是把传感器电感L和一个

固定电容C接入一个振荡回路中，如图3-8(a)所示。当L

变化时，振荡频率随之变化，根据的f大小即可测出被测

量值。当L有了微小变化AL后，频率变化Af为

參图3-8调频电路

3.1.4转换电路

三、调相电路

调相电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电

压相位(P的麦化。图3-9(a)所示是一个相位由桥，一臂为

传感器L,另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高

品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压

降％与％互相垂直，如图3-9(b)所示。当电感L变化时，输

出电压U。的幅值不变,相位角＜p随之变化。

(P与L的关系为e=2tg_i

式中3—电源角频率

糊图3-9调相电路

3.1.4转换电路

2

在这种情况下，当L有微小变化AL后，输出电压相位

变化A

3.1.4转换电路

2

3.1.5零点残余电压

它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后

总要存在着某个输出＜AU

0

,这称为零点残余电压，如图3—10

所示。

®图3-10U°-l特性

茹胆丁上页融"下页蟲图库I

3.1.6自感式传感器的特点以及应用

自感式传感器有如下几个特点：

①灵敏度比较好，目前可测的直线位移，输出信号比较

大、信噪比较好；

②测量范围比较小，适用于测量较小位移;

③存在非线性;

④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较

大的电磁吸力的缘故；

⑤工艺要求不高，加工容易。

糊图3-11测气体压力的电感传感器參图3-12压差传感器

3.2变压器式传感器

1工作原理

2等效电路及其特性

3差动变压器式传感器的测量电路

4零点残余电压的补偿

5变压器式传感器的应用举例

©3.2

©3.2

©3.2

©3.2

尊3

葫］上页『I尸〒贡區IK图库|

3.2.1工作原理

变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的

一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感

器。这种传感器多采用差动形式。图

3-13所示为典型结构原理。其中：A、B为两个山字

形固定铁芯，在其窗中各绕有两个线圈，Wg及用讣为

一次绕组，W

2a

^W

2b

为二次绕组；C为衔铁。图3-14

所示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器o

鋼图3-13气隙型差动变压器式传感器

理图3-14截面积型差动变压器式传感器

3.2.2等效电路及特性

W图3-15差动变压器式传感器等效电路«图3-16输

出信号的幅频、相频特性曲线

3.2.3差动变压器式传感器的测量电路

差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而用电压表来测量

存在下述问题：①总有零位电压输出，因而零位附近的小位移量困

难。②交流电压表无法判别衔铁移动方向，为此常釆用必要的测量

电路来解决。

一、相敏检测电路

0图3-19相敏检波前后的输出特性曲线糊图3-20差分整流电路

(a)全波电流输岀，(b)半波电流输出

(c)全波电压输出，(d)半波电压输出糊图3-21全波整流电压输

出电路的输出波形

图3-17差动变压器动态测量时的波形

二、差动整流电路

差动变压器式传感器的测量电路

差分整流电路

3.2.4零点残余电压的补偿

与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问

题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并

使实际特性不同于理想特性。

糊图3-22补偿零点残余电压的电路

III

菇~|总：|十上页||十下页

3.2.5变压器式传感器的应用举例

与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压

问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通

过原点，并使实际特性不同于理想特性。

«图3-23差动变压器式位移传感器

&图3-24差动变压器式压力传感器

«图3-25微压传感器

»图3-26加速度传感器

菇~|总：|十上页||十下页

3.3涡流式传感器

«3.3.1工作原理

蛛3・3.2转换电路

©3.3.3涡流式传感器的特性及应用

图3-27涡流式传感器基本原理图

3.3.1工作原理

金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称

之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是

在这种涡流效应的基础上建立起来的。

厂丁「~Trw_:r—1[一可——1

WMBrWBBHHMMBjlUMMMMBHBiOHMOKWLrMWVOMMMUMaMMrfIMBMMB

叛瓦垦丁上页下页iBglr图库J

3.3.2转换电路

由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以

转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感

L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压

或电流输岀。总的来说，利用Q值的转换电路使用较少,这里不作

讨论。利用z的转换电路一般用桥路，它属于

调幅电路。利用L的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅

值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调

频两种。

EZ2

3.3-2转换电路

一、桥路

二、谐振调幅电路

三、谐振调频电路

涡流式传感器电桥谐振调幅电路

谐振调幅电路特性调频电路原理图

«图3-28

O图3-29糊

图3-30

B@3-31

3.3.3涡流式传感器的特性及应用

涡流式传感器的特点是结构简单、易于进行非接触的连续测

量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应甬。

轨迹仪原理结构

LF_订

不同频率下的e=f(h)曲线

彎图3-32曹

图3-33图

3—34

低频透射涡流测厚仪原理

3.4压磁式传感器

越3・4.1工作原

理

蛛3・4.2结构形

式

EZ2

3.4.1工作原理

某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应

力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”。相

反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸

长，有些则压缩，这种现象称为“磁致伸缩”。

当某些材料受拉时，在受力方向上的磁导率增高，而在与作

用力相垂直的方向上磁导率降低，这种现象称为正磁致伸缩；

与此相反的称为负磁致伸缩。

弓4/1

式中£H=Ap/p—磁导率的相对变化；

£!=A1/1-在机械力的作用下铁磁物质的相对变

形。

压磁应力灵敏度同样定义为：单位机械应力6所引起的磁导率相对

变化EH=Ap/|J,

即S。•，

利用上述介绍的关系可以做成压磁传感器。

3.4.1工作原理

铁磁材料的压磁应变灵敏度表示方法与应变灵敏度系数表示方

法相似。

s=5±=3/u

尹上页||k下页|尸穴图库|

3.4.2结构形式

一、利用一个方向磁导率的变化

、利用两个方向上磁导率的改变

蛍图3-35压磁式传感器结构形式之一

«图3-36压磁式传感器结构形式之二

利用〃维捷曼“效应进行测量的原理图

维捷曼效应

3.5感应同步器

©3.5.1工作原理

©3.5.2类型与结构

©3.5.3输出信号的测量方法

®3.5.4误差分析

3.5.1工作原理

感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移或转角位移

的一种器件。测量直线位移的称为直线感应同步器，测量转角位

移的称为圆感应同步器。

感应同步器是根据两个平面形绕组的互感随位置而变化的原

理制造的。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，而圆感应

同步器由转子和定子两部分组成。在定尺和滑尺、转子和定子上

制有印刷电路绕组，其截面结构如图3-38所示。工作时利用绕

组间其相对位置变化而产生的电磁耦合作用发出相应于位移或

转角的信号，从而达到测量目的。

®图3-38定尺和滑尺印刷电路截面结构刪图3-39定尺和滑

尺绕组分布示意图

3.5.2类型与结构

一、长形感应同步器，又称为直线感应同步器，它可分为标准

型及窄型两种。

二、圆形感应同步器，又称为旋转型感应同步器

三、绕组结构

标准型直线感应同步器的外型尺寸窄型直线感应

同步器的外型尺寸圆形感应同步器的外型尺寸

定尺、滑尺绕组示意图

W图3-40

糊图3-41糊

图3-42彎图

3-43

3・5・3输出信号的测量方法

感应同步器的输出信号是一个能反映其定片与动片相对

位移的交变电势，因而对输出信号的处理的本质是对交变电势

的检测。就其特性而言，可用其幅值和相位两个物理参量来描

述。对于由感应同步器组成的检测系统，可以采取不同的励磁

方式。并对输出信号有不同的处理方法。

从励磁方式来说，可分类两大类：一类是以滑尺（或定子）励

磁，由定尺（或转子）取出感应电势信号；另一类以定尺为励

磁，由滑尺取出感应电势信号。目前用的最多的是第一类励磁

方式。对输出感应电势信号可采取不同的处理方法来达到测量

目的，一般分为鉴幅型和鉴相型两种检测系统。

9图3・44函数变压器抽头方法

3.5.4误差分析

感应同步器的误差由多种因素造成的，有电磁作用的

因素，如绕组自感的存在，绕组端部连线的单匝耦合、各种连

线的影响等等，还有器件制造精度、安装误差、工作环境的变

化等因素都会引起测量误差。

一、零位误差

二、细分误差

三、环境温度的影响

第3章本章要点

®自感式传感器

＞自感式传感器的工作原理

＞灵敏度与非线性

差动式传感器其灵敏度

1•调幅电路（图3-7）

2.调频电路（图3-8）

3.调相电路（图3-9）

＞等效电路

＞转换电路

第3章本章要点

❺变压器式传感器

＞工作原理

＞等效电路及其特性

＞差动变压器式传感器的测量电路

一、相敏检测电路;

二、差动整流电路

-零点残余电压的补偿

补偿零点残余电压的电路（图3-22）

第3章本章要点

❺涡流式传感器

＞工作原理（式3-33）

＞转换电路

一、桥路

二、谐振调幅电路

三、谐振调频电路

物压磁式传感器

＞工作原理

某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应

力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”

o（式3-37）