第3章电感式传感器原理及其应用详解
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第3章 电感式传感器原理及其应用
3.1概述 3.2 自感式传感器 3.3差动变压器式传感器 3.4电涡流式传感器
3.1概述
1.电感式传感器的定义 ➢利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈
自感系数 L或互感系数 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。
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
l 衔铁
x
线圈
螺管型电感传感器
这种传感器结构简单,制作容易，灵敏度较低，适用于 测量较大的位移量。
2ra r
电感式传感器的特点: （1）结构简单：没有活动的电触点,寿命长。 （2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能
达到上百毫伏。
（3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角 度变化。
（4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出 特性的线性度好，输出稳定。
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 ➢ 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相
连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度
发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发 生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯 的位移量的大小和方向。
自感式传感器的工作原理示意图
线圈 铁心
衔铁 ⊿δ
变气隙式自感传感器结构
变气隙式差动式自感传感器结构剖面图
2.差动式自感传感器的特点 ➢ 自感系数特性曲线如图所示。
自感系数特性曲线图
2.差动式自感传感器的特点 ➢ 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2
和磁路组成。 ➢ 测量时,衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测体
上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移 动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反 的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈 的电感量减小，形成差动形式。
1.调幅电路
（1）变压器电路
➢ 图3-8所示为变压器电桥，Z 1 和 Z 2 为传感器
两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次 侧线圈的两半，每半的电压为 u 。
2
（1）变压器电桥电路
变压器式电桥如图所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧
绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为:
.
.
..
U . 0Z2I.U 2Z1U Z2Z2U 2U 2Z Z1 2 Z Z2 1 ．
δ
由于 Nm LI,
Fm
NI,m
Fm Rm
可得: L N 2
Rm
磁路的总磁阻可表示为:
Rm
li 2 iSi 0S
近似计算出线圈的电感量为:
L N 2S0 2
当线圈匝数N为常数时,电感L仅仅是磁路中
磁阻的函数，只要改变 或S均可导致电感变化。
因此变磁阻式传感器又可分为变气隙 厚度的
传感器和变气隙面积S的传感器。
． U/2
当衔铁处于中间位置时,L1=L2=L0，
U ． U/2
Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。
Z1
Z2
． U0
当衔铁下移时,Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则
有:
.
. U Z
变压器电桥
U0
2Z
.
同理,当衔铁上移时，有:
.
U0
U
Z
输出电压反映了传感器线圈阻2 抗Z的变化,由于是交流信号，
2.电感式传感器的分类 ➢ 电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传
感器和电涡流传感器三种类型。
3.2 自感式传感器
3.2.1自感式传感器的结构 ➢ 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁
芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。
自感式传感器结构图
3.2.2自感式传感器的工作原理 ➢ 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化,
（5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不 适宜进行高频动态测量。
3.2.3差动式自感传感器
➢ 由于线圈中通有交流励磁电流,因而衔铁始终承受电 磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差 较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的 变化都会使输出产生误差。
➢ 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一 个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气 参数和几何尺寸要求完全相同。
➢ 这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温 度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿， 从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误 差。
1.差动式自感传感器的结构
(a)变气隙式;
（b）变面积式； 差动式自感传感器
（c）螺管式
三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电 感传感器的应用最广。
➢当铁芯的结构和材料确定后,自感L是气隙厚
度 和气隙磁通截面积S的函数,即
。
➢如果LS保f(持,S不) 变，则L为 的单值函数，可
构成变气隙型自感传感器;如果保持 不变，
使S随位移而变，则可构成变截面型自感传
感器；如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔
铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成
了螺线管型自感传感器。
ห้องสมุดไป่ตู้
变面积式自感传感器:
铁芯 衔铁
线圈
δ
L N 2S0 2
变面积式自感传感器结构
灵敏度为: k dL N20 dS 2
由于漏感等原因,其线性区范围较小，灵敏度也较低，因 此，在工业中应用得不多。
螺管式自感传感器:
传感器工作时,衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺 管线圈电感量的变化。
对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时， 可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的 插入深度l大致上成正比。
差动式与单线圈电感式传感器相比,具有以下优点。 （1）线性度高。 （2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。 （3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度
的影响，由于能互相抵消而减小。 （4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而
减小。
3.2.4电感式传感器的测量电路
➢ 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变 化。为了测出电感量的变化,就要用转换电路把电感 量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的 转换电路有调幅、调频和调相电路。
实际上无法判别输出的相位和位移的方向。
（2）相敏检波电路
输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。
VD1
Z1
VD2
V
U
Z2
VD4
VD3
R1
U0 R2
带相敏整流的电桥电路
当差动式自感电感传感器处于中间位置时,Z1=Z2=Z，输 出电压U0为零。
当衔铁移动使Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时， 电阻R2上的压降大于R1上的压降。
3.1概述 3.2 自感式传感器 3.3差动变压器式传感器 3.4电涡流式传感器
3.1概述
1.电感式传感器的定义 ➢利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈
自感系数 L或互感系数 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。
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
l 衔铁
x
线圈
螺管型电感传感器
这种传感器结构简单,制作容易，灵敏度较低，适用于 测量较大的位移量。
2ra r
电感式传感器的特点: （1）结构简单：没有活动的电触点,寿命长。 （2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能
达到上百毫伏。
（3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角 度变化。
（4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出 特性的线性度好，输出稳定。
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 ➢ 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相
连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度
发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发 生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯 的位移量的大小和方向。
自感式传感器的工作原理示意图
线圈 铁心
衔铁 ⊿δ
变气隙式自感传感器结构
变气隙式差动式自感传感器结构剖面图
2.差动式自感传感器的特点 ➢ 自感系数特性曲线如图所示。
自感系数特性曲线图
2.差动式自感传感器的特点 ➢ 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2
和磁路组成。 ➢ 测量时,衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测体
上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移 动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反 的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈 的电感量减小，形成差动形式。
1.调幅电路
（1）变压器电路
➢ 图3-8所示为变压器电桥，Z 1 和 Z 2 为传感器
两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次 侧线圈的两半，每半的电压为 u 。
2
（1）变压器电桥电路
变压器式电桥如图所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧
绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为:
.
.
..
U . 0Z2I.U 2Z1U Z2Z2U 2U 2Z Z1 2 Z Z2 1 ．
δ
由于 Nm LI,
Fm
NI,m
Fm Rm
可得: L N 2
Rm
磁路的总磁阻可表示为:
Rm
li 2 iSi 0S
近似计算出线圈的电感量为:
L N 2S0 2
当线圈匝数N为常数时,电感L仅仅是磁路中
磁阻的函数，只要改变 或S均可导致电感变化。
因此变磁阻式传感器又可分为变气隙 厚度的
传感器和变气隙面积S的传感器。
． U/2
当衔铁处于中间位置时,L1=L2=L0，
U ． U/2
Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。
Z1
Z2
． U0
当衔铁下移时,Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则
有:
.
. U Z
变压器电桥
U0
2Z
.
同理,当衔铁上移时，有:
.
U0
U
Z
输出电压反映了传感器线圈阻2 抗Z的变化,由于是交流信号，
2.电感式传感器的分类 ➢ 电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传
感器和电涡流传感器三种类型。
3.2 自感式传感器
3.2.1自感式传感器的结构 ➢ 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁
芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。
自感式传感器结构图
3.2.2自感式传感器的工作原理 ➢ 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化,
（5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不 适宜进行高频动态测量。
3.2.3差动式自感传感器
➢ 由于线圈中通有交流励磁电流,因而衔铁始终承受电 磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差 较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的 变化都会使输出产生误差。
➢ 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一 个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气 参数和几何尺寸要求完全相同。
➢ 这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温 度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿， 从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误 差。
1.差动式自感传感器的结构
(a)变气隙式;
（b）变面积式； 差动式自感传感器
（c）螺管式
三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电 感传感器的应用最广。
➢当铁芯的结构和材料确定后,自感L是气隙厚
度 和气隙磁通截面积S的函数,即
。
➢如果LS保f(持,S不) 变，则L为 的单值函数，可
构成变气隙型自感传感器;如果保持 不变，
使S随位移而变，则可构成变截面型自感传
感器；如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔
铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成
了螺线管型自感传感器。
ห้องสมุดไป่ตู้
变面积式自感传感器:
铁芯 衔铁
线圈
δ
L N 2S0 2
变面积式自感传感器结构
灵敏度为: k dL N20 dS 2
由于漏感等原因,其线性区范围较小，灵敏度也较低，因 此，在工业中应用得不多。
螺管式自感传感器:
传感器工作时,衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺 管线圈电感量的变化。
对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时， 可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的 插入深度l大致上成正比。
差动式与单线圈电感式传感器相比,具有以下优点。 （1）线性度高。 （2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。 （3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度
的影响，由于能互相抵消而减小。 （4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而
减小。
3.2.4电感式传感器的测量电路
➢ 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变 化。为了测出电感量的变化,就要用转换电路把电感 量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的 转换电路有调幅、调频和调相电路。
实际上无法判别输出的相位和位移的方向。
（2）相敏检波电路
输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。
VD1
Z1
VD2
V
U
Z2
VD4
VD3
R1
U0 R2
带相敏整流的电桥电路
当差动式自感电感传感器处于中间位置时,Z1=Z2=Z，输 出电压U0为零。
当衔铁移动使Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时， 电阻R2上的压降大于R1上的压降。