第4章 电感式传感器
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性
差动式电感传感器的特性
从结构图可以看出，差动式电感传感器 对外界影响，如温度的变化、电源频率的变 化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁 吸力也较小，从而减小了测量误差。
从曲线图可以看出，差动式电感传感器的 线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非 差动式电感传感器的两倍。
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4.1.2 自感式传感器的测量转换电路
这种传感器能实现信息的远距离传输、记
录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被广 泛采用。
电感式传感器种类很多, 本章主要介绍 自感式、差动变压器式（互感式）、电 涡流式传感器这三大类传感器。
4.1 自感式传感器
4.1.1 自感式传感器的工作原理
先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串 联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压 源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为 几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称 为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐 渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零 时，毫安表的读数只剩下十几毫安。
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1. 变压器式交流电桥
变压器式交流电桥测量电路如图 3- 5所示, 电桥两臂Z1、
Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的
1/2 阻抗。当负截阻抗为无 穷大时, 桥路输出电压
U
Z2 U
U Z2 Z1 U
Z1 Z2 2 Z1 Z2 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有 U 0=0,
电桥平衡。
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图4-7变压器式交流电桥
23wk.baidu.com
当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ
U0
U
Z
U
L
2Z 2L
当传感器衔铁下移时, 此时Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ
U0
U
Z
U
L
2Z 2L
从上两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大
小相等, 但方向(相位)相反, 由于 是U交0 流电压, 输出指示无法
测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成 电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅 采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移 的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。
如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别 相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（幅 值），还可以反映位移的方向（相位）。这种检波 电路称为相敏检波电路。
由上式可知理论上电感量L与气隙截面
积A成正比。
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3.螺线管式
1）电感量L与衔铁插入 深度l1成正比（在螺线 管中部时）
2）适应于测量较大位移 3）灵敏度较低
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上述三种传感器的线圈中均通有交流
励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸
力，会引起附加误差，且非线性误差 较大。另外，外界的干扰(如电源电压、 频率、温度的变化)也会使输出产生误 差，所以在实际工作中常采用差动形
第4章 电感式传感器
一、教学目标 1、知识目标
（1）了解自感式传感器工作原理、转换电路与使用方法。 （2）掌握差动变压器式传感器的工作原理、转换电路。 （3）掌握电涡流式传感器的工作原理和实际应用方法。
二、教学重点和难点 1、重点：电感式传感器的工作原理和应用。 2、难点：电感式传感器的测量电路。
利用电磁感应原理将被测非电量 如位移、压力、流量、 振动等转换 成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变 化量输出, 这种装置称为电感式传感 器。
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电感式传感器具有结构简单, 工作可靠, 测 量精度高, 零点稳定, 输出功率较大等一系列 优点, 其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范 围相互制约, 传感器自身频率响应低, 不适用 于快速动态测量。
变截面式
螺线管式
14
1.变隙式
L-δ特性曲线
变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是
相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位 移场合。
为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式 电感传感器。
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2.变截面式
L N 20 A 2
图4-4 变截面式自感传感器的输出特性 1—实际输出特性； 2—理想输出特性
式，这样既可以提高传感器的灵敏度， 又可以减小测量误差。
差动电感传感器的特点
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
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在变隙式差动 电感传感器中， 当衔铁随被测 量移动而偏离 中间位置时， 两个线圈的电 感量一个增加， 一个减小，形 成差动形式。
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曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特
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三、教学学时
6学时
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电磁感应原理
因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭 合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感 线的运动时，导体中就会产生电流，这种 现象叫电磁感应。
公式的来历：
U L di dt
E n n
t t t t
Li
E Li L i L di t t dt
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8
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
2020/10/9
220V
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电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
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L N2 N2 Rm Rm1 Rm0
Rm1 Rm 0
11
L N2 Rm0
Rm0
2 0 0 A
R l
判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。
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相敏检波电路
当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少 。
这时当电源u上端为正，下端为负时，VD1、VD4导通，电阻R1 上的压降大于R2上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负；
当u上端为负，下端为正时， VD2、VD3导通，R1上压降则大 于R2上的压降，电压表V输出上端为负，下端为正。
s
L 0 AN 2 20
电感量计算公式 ：
L N 20 A 20
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； o ：气隙厚度。
请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积A之
间的关系，并讨论有关线性度的问题。
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自感式电感传感器常见的形式
变隙式
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差动式电感传感器的特性
从结构图可以看出，差动式电感传感器 对外界影响，如温度的变化、电源频率的变 化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁 吸力也较小，从而减小了测量误差。
从曲线图可以看出，差动式电感传感器的 线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非 差动式电感传感器的两倍。
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4.1.2 自感式传感器的测量转换电路
这种传感器能实现信息的远距离传输、记
录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被广 泛采用。
电感式传感器种类很多, 本章主要介绍 自感式、差动变压器式（互感式）、电 涡流式传感器这三大类传感器。
4.1 自感式传感器
4.1.1 自感式传感器的工作原理
先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串 联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压 源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为 几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称 为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐 渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零 时，毫安表的读数只剩下十几毫安。
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1. 变压器式交流电桥
变压器式交流电桥测量电路如图 3- 5所示, 电桥两臂Z1、
Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的
1/2 阻抗。当负截阻抗为无 穷大时, 桥路输出电压
U
Z2 U
U Z2 Z1 U
Z1 Z2 2 Z1 Z2 2
当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有 U 0=0,
电桥平衡。
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图4-7变压器式交流电桥
23wk.baidu.com
当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ
U0
U
Z
U
L
2Z 2L
当传感器衔铁下移时, 此时Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ
U0
U
Z
U
L
2Z 2L
从上两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大
小相等, 但方向(相位)相反, 由于 是U交0 流电压, 输出指示无法
测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成 电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅 采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移 的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。
如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别 相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（幅 值），还可以反映位移的方向（相位）。这种检波 电路称为相敏检波电路。
由上式可知理论上电感量L与气隙截面
积A成正比。
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3.螺线管式
1）电感量L与衔铁插入 深度l1成正比（在螺线 管中部时）
2）适应于测量较大位移 3）灵敏度较低
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上述三种传感器的线圈中均通有交流
励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸
力，会引起附加误差，且非线性误差 较大。另外，外界的干扰(如电源电压、 频率、温度的变化)也会使输出产生误 差，所以在实际工作中常采用差动形
第4章 电感式传感器
一、教学目标 1、知识目标
（1）了解自感式传感器工作原理、转换电路与使用方法。 （2）掌握差动变压器式传感器的工作原理、转换电路。 （3）掌握电涡流式传感器的工作原理和实际应用方法。
二、教学重点和难点 1、重点：电感式传感器的工作原理和应用。 2、难点：电感式传感器的测量电路。
利用电磁感应原理将被测非电量 如位移、压力、流量、 振动等转换 成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变 化量输出, 这种装置称为电感式传感 器。
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电感式传感器具有结构简单, 工作可靠, 测 量精度高, 零点稳定, 输出功率较大等一系列 优点, 其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范 围相互制约, 传感器自身频率响应低, 不适用 于快速动态测量。
变截面式
螺线管式
14
1.变隙式
L-δ特性曲线
变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是
相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位 移场合。
为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式 电感传感器。
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2.变截面式
L N 20 A 2
图4-4 变截面式自感传感器的输出特性 1—实际输出特性； 2—理想输出特性
式，这样既可以提高传感器的灵敏度， 又可以减小测量误差。
差动电感传感器的特点
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
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在变隙式差动 电感传感器中， 当衔铁随被测 量移动而偏离 中间位置时， 两个线圈的电 感量一个增加， 一个减小，形 成差动形式。
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曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特
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三、教学学时
6学时
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电磁感应原理
因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭 合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感 线的运动时，导体中就会产生电流，这种 现象叫电磁感应。
公式的来历：
U L di dt
E n n
t t t t
Li
E Li L i L di t t dt
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电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
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电感传感器的基本工作原理演示
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气隙变小，电感变大，电流变小
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L N2 N2 Rm Rm1 Rm0
Rm1 Rm 0
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L N2 Rm0
Rm0
2 0 0 A
R l
判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。
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相敏检波电路
当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少 。
这时当电源u上端为正，下端为负时，VD1、VD4导通，电阻R1 上的压降大于R2上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负；
当u上端为负，下端为正时， VD2、VD3导通，R1上压降则大 于R2上的压降，电压表V输出上端为负，下端为正。
s
L 0 AN 2 20
电感量计算公式 ：
L N 20 A 20
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； o ：气隙厚度。
请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积A之
间的关系，并讨论有关线性度的问题。
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自感式电感传感器常见的形式
变隙式
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