第三章 变阻抗式传感器 3.1 自感式电感传感器 （自感原理） 3.2 差动变压器式传感器（互感原理） 3.3 电涡流式传感器 （涡流原理） 3.4 电容式传感器 第三章 变阻抗式传感器 变阻抗式传感器定义：是指由电感器 、电容器等可变电阻抗器件构成的传感器 工作原理：当输入量变化时引起器件 的阻抗变化，从而确定输入量的变化大小 XL=ωL=2πf L ----感抗 XC= = ----容抗 分类：电感式传感器、电容式传感器 3.1 自感式电感传感器 工作原理：电感式传感器是利用被测量的变化引起线 圈自感或互感系数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、力矩和 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绕组 分类：自感式（一绕组）、互感式（两绕组） 3.1 自感式电感传感器 自感式传感器分： 变隙式传感器（差动变隙式传感器） 变面积型电感传感器 螺线管式电感传感器 3.1 自感式电感传感器 一、变隙式传感器（差动变隙式传感器） 自感L与空气隙δ成反比，为非线性输出特性，适用于测量位 移较小场合。
传感器的灵敏度 K ＝ ΔL/Δδ 工作原理：衔铁与被测 物体连接，当被测物体 移动时，气隙厚度δ发生 变化，气隙的磁阻发生 相应的变化，从而导致 电感的变化，因而确定 被测量的位移大小 3.1 自感式电感传感器 一、变隙式传感器（差动变隙式传感器） 为了提高灵敏度，改善线性度，常做成差动变隙 式电感传感器当被测物上下移动时，一边间隙增大 ，另一边间隙减少 3.1 自感式电感传感器 二、变面积型电感传感器 L与S0为线性 工作原理 δ不变 S变 导致L变 3.1 自感式电感传感器 二、变面积型电感传感器 3.1 自感式电感传感器 三、螺管式电感传感器 工作原理：当活动衔铁随被测物移动时，线圈磁力 线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变 化L的大小与衔铁插入线圈的深度有关 3.1 自感式电感传感器 四、自感式传感器测量电路 1、调幅电路 ①变压器电路 ②相敏检波电路 ③谐振式调幅电路 2、调频电路 3、调相电路 检测题 1、变阻抗式传感器是指由________、________等可 变电阻抗器件构成的传感器。
2、感抗XL=_______=______ ;容抗XC=_________= ________ 3、电感式传感器的工作原理是________________， 可以用来测量_____、______、______、力矩和应变 等多种物理量这类传感器的主要特征是具有_______ 4、自感式传感器分：_______传感器、________电感 传感器、________电感传感器,为了提高灵敏度和线性 度，常做成________式电感传感器 5、传感器的测量电路经常使用电桥电路，________是 单臂电桥灵敏度的4倍，__________是单臂电桥灵敏 度的2倍 检测题 6、画出课本P44的图3－6变压器式电桥、图3－7相敏检 波电路、图3－9a谐振式调幅电路、图3－10（左）调频 电路框图、图3－11（左）调相电路 7、一根由铜制成的导线，长度为50分米，横截面积为4 平方毫米，常温20℃时，铜的电阻率ρ＝0.0178Ωmm2 /m ，这根导线的电阻为多少？ 8、有一线圈，其电感量L为60μH，当在220V，50HZ的 交流电为电为 激励电压电压 下工作时时，线线圈的感抗（或阻抗）为为 多少？（1 μH ＝10－6 H） 3.2 差动变压器式传感器 变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将被测的 非电量转换为传感器线圈间互感系数的变化的一种磁电 动机构，很像变压器的工作原理，因此常称其为变压器 式传感器。
这种传感器多采用差动形式（提高灵敏度） 分类： 变隙式差动传感器（二个初线圈二个次线圈 ） 螺管式差动传感器（一个初线圈二个次线圈 ） 3.2 差动变压器式传感器 一、螺管式差动传感器 形式：根据初、次级排列不同有二节式、三 节式、四节式、五节式 工作原理：对于差动变压器，当衔铁处于中间 位置时，差动输出电动势为0；当衔铁向二次 绕组上下移动时，输出电动势不为0（）因 此，通过差动变压器输出电动势的大小和相位 可以知道衔铁位移量的大小和方向 3.2 差动变压器式传感器 一、螺管式差动传感器 零点残余电压： 当差动变动器的衔铁处于中 间位置时，理想条件下其输出电压为0，但实 际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微 小的电压值存在会给测量被测量带来误差 减小零点残余电压办法：尽可能保证传感器几 何尺寸、线圈电气参数对称；采用补偿电路， 在二次侧线圈中串、并联电容电阻元件 3.2 差动变压器式传感器 二、变隙式差动传感器 工作原理：当衔铁处于中间位置时，即两边气 隙相同，输出电压为0；当衔铁偏离中间位置 时，两边气隙不相等，有电压输出，不为0， 此电压的大小与极性反映被测物位移的大小和 方向。
通过相敏检波电路，使最终输出电压的 极性能反映位移的方向 气隙型差动变压器式传感器 当没有非电量输入时，衔 铁C与铁心A、B的间隔相 同，则绕组W1a和W2a间的 互感ma与绕组W1b和W2b间 的互感mb相等 当衔铁的位置改变时，则 ma不等于mb，ma和mb的 差值即可反映被测量值的 大小 为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交 流电压u，二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成 电动势e2为：e2=e2a-e2b （e2值的大小取决于被测位移的大小，e2 的方向取决于位移的方向 截面积型差动变压器式传感器 图所示为改变气隙有效截面积型 差动变压器式传感器，输入非电 量为角位移Δα一个山字形铁 芯A上绕有三个绕组 衔铁B以O点为轴转动，衔铁B转 动时由于改变了铁芯与衔铁间磁 路上的垂直有效截面积s，也就改 变了绕组间的互感，使其中一个 互感增大，另一个互感减小，因 此两个二次绕组中的感应电动势 也随之改变 将绕组w2a和w2b反相串联并测量合成电动势e2，就可以 判断出非电量的大小及方向 3.2 差动变压器式传感器 三、差动变压器式传感器的主要性能 1、灵敏度：是指在单位电压激励下，铁芯移 动一个单位距离时的输出电压，单位：V/mm K与输入激励电压、激励电源频率f有关。
2、线性度：传感器实际特性曲线与理论直线 之间的最大偏差除以测量范围（用百分比分数 来表示） δ与骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排 列，铁芯尺寸和材质，激励频率和状态有关 3.2 差动变压器式传感器 四、差动变压器式传感器的测量电路 测量电路的任务：能辨别被测物体的移动 方向，消除零点残余电压有： 1、差动整流电路 2、差动相敏检波电路 3、直流差动变压器电路 应用场合：需要远 距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动 变压器，且需要避免相互间或对其它仪器设备 产生干扰的场合 3.2 差动变压器式传感器 五、差动变压器式传感器的应用 常用于测量振动、厚度、应变、压力、加 速度等物理量 1、测量加速度 为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采 用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的 强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组 成的（测量仪未画出）当列车经过线圈上方时，线 圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置 的速度和加速度 S O B 2、测量小位移 一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器， 图中列出其应用实例。
图（a）为测物体重量的电子秤 ，用差动变压器把弹簧的位移变为电信号，换算为重 量即可；图（b）为偏心测量仪，以起始点作为基准， 用正负量来显示转体的偏心程度 （a）电子秤 （b）偏心测量仪 3、测量压力 压力传感器组成：差动变压器和弹性敏感元件（ 膜片、膜盒、弹簧管等） 3.3 电涡流式传感器 涡流：当导体置于变化的磁场中或在固定磁场 中运动时，导体内会产生感应电动势形成电流 ，这种电流在导体内是闭合的 电涡流式传感器工作原理：是利用电涡流效应 工作的 特点：结构简单，灵敏度高，不受油污等介质 的影响，并能进行非接触测量，适用范围广 应用：广泛用来测量位移、振动、厚度、转速 、温度、硬度等参数，以及用于无损擦伤领域 3.3 电涡流式传感器 一、高频反射式涡流传感器 1、基本原理：线圈置于金属导体附近，线圈 中通以高频电流信号，正弦交变磁场，金属导 体内就会产生涡流，涡流产生电磁场，反作用 于线圈，改变了电感 2、等效电路 3.3 电涡流式传感器 一、高频反射式涡流传感器 3、传感器的结构：如图3－31 4、测量电路：谐振电路、电桥电路、 Q值测量电路 课本只介绍了三种谐振电路 3.3 电涡流式传感器 一、高频反射式涡流传感器 谐振电路： 定频调幅电路：晶体振荡器提供高频激励 信号，L为传感器线圈电感，与电容C并联 组成谐振回路。
如图3－32 变频调幅电路：传感器线圈L直接接入电容 三点式回路，以振荡器输出电压作为输 出信号灵敏度高，线性范围宽 调频电路：与变频调幅电路一样，但以振 荡频率的变化作为输出信号提高稳定性 3.3 电涡流式传感器 二、低频透射式涡流传感器 1、基本原理：线圈L1上通以交变电流产生交 变磁场，在金属薄板M上产生涡流，穿过金属 板，圈L2上会产生电感应电动势EE的大 小间接反映了金属薄板M的厚度l 3.3 电涡流式传感器 二、低频透射式涡流传感器 2、频率的选择：测较小的材料，如紫铜，选 用较低的f(500Hz)；测较大的材料，如黄铜、 铝时，选用较高的f(2kHz)目的是保证线性 度和灵敏度 3.3 电涡流式传感器 三、涡流式传感器的应用 1、测位移：测量金属件的静态或动态位移， 最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%，最高分 辨率0.05μm测量机器转轴的轴向窜动、金 属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、 液体压力等 2、测厚度：根据输出电压的变化，就可以知 道金属板厚的大小可制成金属镀层厚度测量 仪、非接触式板厚测量仪、接触式金属或非金 属板厚测量仪。
3.3 电涡流式传感器 三、涡流式传感器的应用 3、测温度：导体的电阻率ρ与温度t有关，使 传感器的输出只与电阻率有关，可测量液体、 气体介质温度或金属材料的表面温度适合于 低温到常温的测量提问：前面我们还学了 用什么可测量温度？） 4、涡流探伤：通过测量传感器参数的变化可 达到探伤的目的为了得到准确的裂缝信号， 采用滤波器把干扰信号去掉可以用来检查金 属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位 的探伤等 检测题 1、差动变压器式传感器分________传感器和________ 传感器两类 2、电涡流式传感器分_______涡流传感器、______涡流 传感器两大类 3、变压器式传感器工。