第三章电感式传感器及应用

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1、传感器原理与应用传感器原理与应用第三章 电感式传感器及应用3-1 自感式 1.掌握单线圈变隙式和差动变隙式电感传感器的结构、工 作原理、测量范围与灵敏度和线性度之间的关系工作原理：传感器工作时，衔铁 与被测体连接。当被测体如图示 方向产生的位移时，衔铁与其 同步移动，引起磁路中气隙磁阻 发生相应的变化，从而导致线圈 电感变化。因此，只要能测出这 种电感量的变化，就能确定衔铁 （即被测体）位移量的大小和方 向。1传感器原理与应用传感器原理与应用工作原理：差动变隙式电感传 感器由两个相同的电感线圈和 磁路组成。测量时，衔铁通过 导杆与被测体相连，当被测体 按图示方向上下移动时，导杆 带动衔铁也以相

2、同的位移量上 下移动，使两个磁回路中的磁 阻发生大小相等、符号相反的 变化，导致一个线圈的电感量 增加，另一个线圈的电感量则 减小，形成差动形式。2传感器原理与应用传感器原理与应用闭磁路变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度 相矛盾。3传感器原理与应用传感器原理与应用2.掌握单线圈螺线管式和差动螺线管式电感传感器的结构 （图）、工作原理、优缺点和应用工作原理：进行测量时，活动 铁芯的左端与被测体连接。当 活动铁芯随被测体移动时，导 致线圈电感量发生变化，即线 圈电感量与铁芯插入深度X有 关。 优缺点：优点是测量范围大、 线性度好、结构简单和便于制 作，缺点是灵敏度低。 应用：测量大量程直

3、线位移。4传感器原理与应用传感器原理与应用工作原理：活动铁芯与被测 体连接，铁芯初始状态处于 对称位置上，使两边螺线管 的初始电感值相等，当被测 体带动铁芯移动X（例如 右移X）后，使右边电感 值增加，左边电感值减小， 形成差动特征。5传感器原理与应用传感器原理与应用3.掌握电感式配用测量电路（图）和名称；一般了解电路 的工作原理。 （1）变压器式交流电桥（2）带有相敏整流的交流电桥BAOCZ1Z2UiZ1Z2AD1D2D3D4VZ3Z4ECFDBU06传感器原理与应用传感器原理与应用3-2 差动变压器式 1.掌握差动变压器式传感器定义、结构种类把被测的非电量的变化转换为线圈互感变化的传感器称

4、为 互感式传感器。因为这种传感器是根据变压器的基本原 理制成的，并且其次级绕组都用差动形式连接，所以又 叫差动变压器式传感器，简称差动变压器。 结构种类：变隙式、变面积式和螺线管式。 2.了解变隙式差动变压器传感器的工作原理、输出特性； 掌握其灵敏度与初始平衡位置的气隙大小的关系。 变隙式差动变压器传感器的灵敏度与初始平衡位置的气隙 大小成反比。7传感器原理与应用传感器原理与应用3.掌握螺线管式差动变压器的结构（图）、线圈绕组的排 列方式、工作原理、影响灵敏度的因素、改善线性度的 方法、零点残余电压（定义、不良影响、基波产生的主 要原因及消除方法）12 34561.活动衔铁2.导磁外壳3.骨架

5、4.匝数为W1的 初级绕组5.匝数为W2a的 次级绕组6.匝数为W2b的 次级绕组螺线管式差动变压器传 感器主要由线圈组合、 活动衔铁和导磁外壳三 部分组成。 线圈绕组排列方式：一 节式、二节式、三节式 、四节式和五节式。通 常多采用二节式和三节 式。 8传感器原理与应用传感器原理与应用工作原理：以三节式差动变压器为例，将两个匝数相等的 次级绕组的同名端反向串联，当初级绕组W1加以激磁电 压 时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组W2a 和W2 b中就会产生感应电势 和 如果工艺上保证变 压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时 ，当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈 内

6、磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电 压。其数值反映了活动衔铁的位移。9传感器原理与应用传感器原理与应用影响灵敏度的因素：电源频率和输入激磁电压。 改善线性度的方法： 取测量范围为骨架长度的1/10到1/4； f采用中频（400Hz-10KHz )； 配用相敏检波式测量电路。零点残余电压是差动变压器在零位移时的输出电压，是评 定差动变压器性能的主要指标之一。它的存在，会造成 传感器在零位附近的灵敏度降低、分辨率变差和测量误 差增大。 基波产生的原因主要是传感器两个次级绕组的电气参数与 几何尺寸不对称；10传感器原理与应用传感器原理与应用消除方法 （1）工艺上保证两个次级绕组对称（几何

7、尺寸，电气参数 ，磁路），结构上，可采用可调端盖机构，另外，衔铁 和导磁外壳等磁性材料必须经过热处理，消除内部残余 应力，使其磁性能具有较好的均匀性和稳定性； （2）采用导磁性能良好的材料制作传感器壳体，兼顾屏蔽 作用，以抗外界干扰，设置静电屏蔽层； （3）工作区域设计在铁芯磁化曲线的线性段，减小三次谐 波； （4）外电路补偿法； （5）选用相敏检波作为测量电路。11传感器原理与应用传感器原理与应用4.掌握差动变压器可以测量的物理量和配用测量电路的名 称及差动半波整流电路（图） 差动变压器不仅可以直接用于位移的测量，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、 比重、张力和厚

8、度等。 配用测量电路：差动相敏检波电路和差动整流电路。 差动半波整流电路：见P87图3-29（a） 5.一般了解差动变压器配用的差动相敏检波电路的工作原 理和基本特性、差动整流电路的工作原理。12传感器原理与应用传感器原理与应用3-3 电涡流式 1.了解电涡流式传感器的分类 2.掌握电涡流式传感器的基本结构及其与被测体组成测量 系统的依赖关系、影响系统性能的主要部件 电涡流传感器的基本结构主要由线圈和框架组成，其中激 磁线圈是主体，因而它的性能、尺寸、形状对整个测量 系统的性能产生重要影响。 电涡流传感器测量系统是由传感器和被测体两部分组成， 利用两者的磁性耦合程度来实现对被测量的测试任务。

9、因而被测体的材料、形状和大小必将对传感器特性产生 影响。13传感器原理与应用传感器原理与应用3.掌握电涡流传感器的工作原理、电涡流强度与距离（线 圈与被测体）的关系、测量位移时得到较好线性度和灵 敏度的条件 工作原理：传感器的激磁线圈通正弦交变电流时，在其周 围产生交变磁场，使被测金属导体内产生电涡流。它的 存在削弱激磁线圈内磁场的变化。使线圈等效阻抗发生 变化（对比无被测金属时变小）。该变化完全取决于被 测金属导体的电涡流效应。而电涡流的强度与被测金属 导体的电阻率、磁导率及几何形状有关，又与线圈的几 何参数、线圈中激磁电流的频率有关，还与线圈与被测 金属导体间的距离等参数有关。如果保持上述

10、中的其它 参数不变，而只改变其中的一个参数，则传感器线圈的 阻抗就仅仅是这个参数的单值函数。通过测量线圈阻抗 的变化量，即可实现对该参数的测量。14传感器原理与应用传感器原理与应用电涡流强度与距离（线圈与被测体）的关系：非线性，且 随着距离的增加，电涡流将迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1（一般 取x/ras=0.05-0.15）的范围才能得到较好的线性和较高的 灵敏度；即应让线圈与被测体之间的距离大大地小于线 圈地半径。 4.了解高频反射式电涡流传感器要求被测物体有一定厚度 地道理。15传感器原理与应用传感器原理与应用5.掌握被测物体材料电阻率和相对磁导率及被测平

11、面直径 大小与电涡流传感器灵敏度的关系、传感器与非被测金 属物之间的距离对其测量结果的影响 被测体的电阻率和相对磁导率r愈小，传感器的灵敏度愈 高。 被测体短路环与线圈外半径之比ra/ras 愈大，电涡流效应的 利用愈充分，传感器灵敏度愈高。 用电涡流传感器进行测量时，不属于被测体的金属物与激 磁线圈之间，至少要有一个线圈直径的间隔。 6.了解电涡流式传感器配用测量电路的名称；一般了解传 感器用于位移测量，并配用定频调幅式测量电路的分析16传感器原理与应用传感器原理与应用第四章 电容式传感器及应用4-1 电容式传感器的工作原理及结构型式 1.掌握电容传感器的定义、测量哪些机械和热工参量，变 间

12、隙式和变面积式及变介电常数式三种电容传感器的基 本测量对象 以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容 量的变化的传感器称为电容式传感器。 变间隙式一般测量微小的线位移，变面积式则用来测角位 移或较大的线位移，变介电常数式用于固体或液体的物 位测量。17传感器原理与应用传感器原理与应用2.掌握变间隙式电容传感器的工作原理、灵敏度与非线性 误差的矛盾关系及解决办法 工作原理：变间隙式电容传感器由固定极板和可动极板组 成。当可动极板随着被测参数的变化相对固定极板移动 时，引起极板间的距离d的变化。从而引起电容量发生 变化。测量出电容量，即可推算出位移。 变间隙式电容传感器的提高灵敏度和减小

13、非线性误差是相 矛盾的。为了解决这一矛盾，大都采用差动式电容传感 器 3.一般了解部分固体介质的变间隙式和变面积式电容传感 器的工作原理。了解部分固体介质的变间隙式电容传感 器非线性误差与灵敏度之间的关系18传感器原理与应用传感器原理与应用4.掌握测量介质介电常数变化和介质厚度的变介电常数式 电容传感器的原理图19传感器原理与应用传感器原理与应用4-2 电容式传感器的测量电路及应用 1.一般了解电容式传感器的优缺点。了解分布电容对应用 的影响 2.掌握电容式传感器配用测量电路（图）及电路中各参数 的意义（表示什么） （1）交流电桥C1C2C3CX20传感器原理与应用传感器原理与应用差动电桥测量

14、电路 C0电容式传感器初始电容 C电容式传感器的输出电容变化值C0+C C0-C AB21传感器原理与应用传感器原理与应用（2）紧耦合电桥电路 C0电容式传感器平衡状态时输出电容值 C电容式传感器的输出电容变化值C0+CC0-CML0L022传感器原理与应用传感器原理与应用（3）脉冲电路 Cx电容式传感器电容 Ip充、放电平均电流R2R121KCxD1D2D3D4IpE23传感器原理与应用传感器原理与应用（4）运算放大器式电路 C0固定电容器电容量 Cx电容式传感器输出电容c0cxA024传感器原理与应用传感器原理与应用（5）双T电桥电路eD1D2C1C2R1R2RLAB25传感器原理与应用传感器原理与应用3.了解电容式传感器的几种应用（名称）。掌握差动电容 式加速度传感器的结构原理（图） 见P118图4-1826传感器原理与应用传感器原理与应用27传感器原理与应用传感器原理与应用28