传感器技术与应用 第三章 电感式传感器
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差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组 （或两个）整流二极管分别将二次线圈中的交流电压 转换为直流电，然后相加。由于这种测量电路结构简 单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且 具有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得 广泛的应用。但是，二极管的非线性影响比较严重， 而且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会 产生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。
电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或 互感来实现非电量的检测。 本章主要介绍：
自感式传感器（利用自感原理）；
差动变压器式传感器（利用互感原理）；
电涡流式传感器（利用涡流原理）。
2020/11/12
2
3.1自感式传感器
自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部 分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。 自感式传感器是把被测量的变化转换成 自感L的变化，通过一定的转换电路转换 成电压或电流输出。按磁路几何参数变 化形式的不同，自感式传感器可分为变 气隙式、变截面积式和螺线管式三种
由电感式可知，变气隙长度式传感器的 线性度差、示值范围窄、自由行程小， 但在小位移下灵敏度很高，常用于小位 移的测量。
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁
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10
2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器
螺线管式自感式传感器常采用差动式。
它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其 磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限 长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强， 两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1 为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄 膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考 虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实 验选定。
当活动铁芯向 线圈的一个方 向移动时，传 感器两个差动 线圈的阻抗发 生变化，等效 电路如图4-9 所示。
铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
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22
结果
在Ui的正半周
Uo
VD
VC
Z 2Z0
1
(
1 Z
)2
Ui
2Z0
在Ui的负半周
Uo
VD VC
Z 1 2Z0 1 ( Z
)2
Ui
差动变压器式力传感 器原理结构图如图所 示。它是利用力作用 下引起弹性元件形变， 然后弹性元件的形变 带动差动变压器的衔 铁运动，从而产生相 应地电流或电压输出 的原理制成的。
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44
差动变压器式传感器的应用
差动变压器式电感测微仪
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45
3.3 电涡流传感器
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变 化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导 体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡 流，这种现象称为电涡流效应。
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感 器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器 可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本 工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最 大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外 还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点， 应用极其广泛。
输出特性曲线
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33
零点电势
零点残余电动势使得传感器在零点附近 的输出特性不灵敏，为测量带来误差。 为了减小零点残余电动势，可采用以下 方法。
（1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气 参数和磁路对称。
（2）选用合适的测量电路。
（3）采用补偿线路减小零点残余电动势。
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常采用带相敏整流的交流电桥.
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19
结构
带相敏整流的交流电桥电路
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20
（1）初始平衡位置时
当差动式传感器的 活动铁芯处于中间 位置时，传感器两 个差动线圈的阻抗
Z1=Z2=Z0，其
等效电路如图所示。
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
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（2）活动铁芯向一边移动时
变压器式交流电桥电路图
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分析
设O点为电位参考点，根据电路的基本 分析方法，可得到电桥输出电压为
•
Uo
•
UAB
•
•
VA VB
( Z1 Z1 Z2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1• 2)U2
当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置 时，两线圈的电感相等，阻抗也相等， 即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位 置时每一个线圈的阻抗。
交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和 Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂 可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。
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1．变压器交流电桥
电桥有两臂为传感 器的差动线圈的阻 抗，所以该电路又 称为差动交流电桥
34
测量电路
差动变压器输出的是交流电压，若用交 流电压表测量，只能反映衔铁位移的大 小，而不能反映移动方向。另外，其测 量值中将包含零点残余电压。为了达到 能辨别移动方向及消除零点残余电动势 目的，实际测量时，常常采用差动整流 电路和相敏检波电路。
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35
1．差动整流电路
是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后 将整流的电压或电流的差值作为输出，这样二次电压 的相位和零点残余电压都不必考虑。
一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过 低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁 运动产生的有用信号通过。
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36
典型电路
差动整流电路
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37
2．差动检波电路
差动相敏检波电路
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等效电路
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（2）工作原理
传感器衔铁上移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
1—可动铁芯 2—测杆 3—被测物体
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2．位移测量
测量时测头的测端 与被测件接触，被 测件的微小位移使 衔铁在差动线圈中 移动，线圈的电感 值将产生变化，这 一变化量通过引线 接到交流电桥，电 桥的输出电压就反 映被测件的位移变 化量。
1—引线 2—线圈 3—衔铁 4—测力弹簧 5—导杆 6—密封罩 7—测头
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11
结构
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。
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1—测杆 2—衔铁 3—线圈
12
特性
从输出特性曲线（如 图4-5所示）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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3
内容
3.1.1 基本工作原理 3.1.2 自感式传感器的测量电路 3.1.3 自感式传感器应用
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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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3.1.1 基本工作原理
线圈的自感量等于线圈中通入单位电流 所产生的磁链数，即线圈的自感系数
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应用
采用带相敏整流的 交流电桥，其输出 电压既能反映位移 量的大小，又能反 映位移的方向，所 以应用较为广泛。
1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
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3.1.3 自感式传感器应用
用于测量位移，还可以用于测量振动、 应变、厚度、压力、流量、液位等非电 量。
电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
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变化时
当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻
抗增加 ， Z1 Z0 Z
Z2 Z0 Z
•
Uo
( Z0 Z 2Z0
1• 2)U2
Z • 2Z0 U2
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变化后的电压
当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小
于其感抗
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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3.1.2 自感式传感器的测量电路
自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化 转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。
测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式 等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电 桥式 。
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7
结论
只要被测非电量能够引起空气隙长度或 等效截面积发生变化，线圈的电感量就 会随之变化。
电感式传感器从原理上可分为变气隙长 度式和变气隙截面式两种类型，前者常 用于测量直线位移，后者常用于测量角 位移。
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自感式传感器
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
第3章 电感式传感器
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电感式传感器
电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量， 其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、 输出功率较大；可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应用。但其灵敏度、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。
当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
•
Uo
L 2L0
•
U2
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量 电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量 的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压 与电感变化量呈线性关系。
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2．带相敏整流的交流电桥
上述变压器式交流电桥中，由于采用交 流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 即无法判别位移的方向。
Z 2Z0
Ui
2Z0
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23
只要活动铁芯向一方向移动，无论在交 流电源的正半周还是负半周，电桥输出 电压均为正值。
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（3）活动铁芯向相反方向移动时
当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时， 用上述分析方法同样可以证明，无论在 的正半周还是负半周，电桥输出电压均 为负值。
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1．自感式测厚仪
采用差动结构，其测量电 路为带相敏整流的交流电 桥。当被测物体的厚度发 生变化时，引起测杆上下 移动，带动可动铁芯产生 位移，从而改变了气隙的 厚度，使线圈的电感量发 生相应的变化。此电感变 化量经过带相敏整流的交 流电桥测量后，送测量仪 表显示，其大小与被测物 的厚度成正比。
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其他电感测微头
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3.2 差动变压器式传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传 感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据 变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都 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。
有变隙式、变面积式和螺线管式等
传感器衔铁下移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
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（3）波形图
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相敏检波电路波形图
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3.2.3 差动变压器式传感器的应用
差动变压器不仅可以直接用于位移测量， 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、压力、张 力、比重和厚度等。
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差 动变压器，它可以测量1～100mm范围内的 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结 构简单、性能可靠等优点。
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3.2.1 基本工作原理
变隙式差动变压器原理图
螺线管式差动变压器原理图
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输出特性
当铁芯位于中心位置，输出 电压压称为U2零并点不残等余于电零压，这。个它电的 存在使传感器的输出特性曲 线不经过零点，造成实际特 性和理论特性不完全一致。 零点残余电压使得传感器的 输出特性在零点附近不灵敏， 给测量带来误差，它的大小 是衡量差动变压器性能好坏 的重要指标。
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差动变压器式传感器的应用
差动变压器式 加速度传感器 是由悬臂梁和 差动变压器构 成，其结构如 图所示。
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振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
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差动变压器式传感器的应用
力平衡式差压计
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差动变压器式传感器的应用
力传感器
L / I N / I
N 为磁链，为磁通（Wb），I为流 过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根 据磁路欧姆定律： NIS /，l 为磁导率，S
为磁路截面积，l 为磁路总长度。
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线圈的电感量
Rm
2 0 s0
为磁路的磁阻
L N 2 N 20S
Rm
2
变磁阻式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或 互感来实现非电量的检测。 本章主要介绍：
自感式传感器（利用自感原理）；
差动变压器式传感器（利用互感原理）；
电涡流式传感器（利用涡流原理）。
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3.1自感式传感器
自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部 分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。 自感式传感器是把被测量的变化转换成 自感L的变化，通过一定的转换电路转换 成电压或电流输出。按磁路几何参数变 化形式的不同，自感式传感器可分为变 气隙式、变截面积式和螺线管式三种
由电感式可知，变气隙长度式传感器的 线性度差、示值范围窄、自由行程小， 但在小位移下灵敏度很高，常用于小位 移的测量。
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁
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2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器
螺线管式自感式传感器常采用差动式。
它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其 磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限 长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强， 两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1 为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄 膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考 虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实 验选定。
当活动铁芯向 线圈的一个方 向移动时，传 感器两个差动 线圈的阻抗发 生变化，等效 电路如图4-9 所示。
铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
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结果
在Ui的正半周
Uo
VD
VC
Z 2Z0
1
(
1 Z
)2
Ui
2Z0
在Ui的负半周
Uo
VD VC
Z 1 2Z0 1 ( Z
)2
Ui
差动变压器式力传感 器原理结构图如图所 示。它是利用力作用 下引起弹性元件形变， 然后弹性元件的形变 带动差动变压器的衔 铁运动，从而产生相 应地电流或电压输出 的原理制成的。
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差动变压器式传感器的应用
差动变压器式电感测微仪
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3.3 电涡流传感器
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变 化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导 体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡 流，这种现象称为电涡流效应。
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感 器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器 可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本 工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最 大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外 还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点， 应用极其广泛。
输出特性曲线
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33
零点电势
零点残余电动势使得传感器在零点附近 的输出特性不灵敏，为测量带来误差。 为了减小零点残余电动势，可采用以下 方法。
（1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气 参数和磁路对称。
（2）选用合适的测量电路。
（3）采用补偿线路减小零点残余电动势。
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常采用带相敏整流的交流电桥.
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结构
带相敏整流的交流电桥电路
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（1）初始平衡位置时
当差动式传感器的 活动铁芯处于中间 位置时，传感器两 个差动线圈的阻抗
Z1=Z2=Z0，其
等效电路如图所示。
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
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（2）活动铁芯向一边移动时
变压器式交流电桥电路图
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分析
设O点为电位参考点，根据电路的基本 分析方法，可得到电桥输出电压为
•
Uo
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UAB
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VA VB
( Z1 Z1 Z2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1• 2)U2
当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置 时，两线圈的电感相等，阻抗也相等， 即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位 置时每一个线圈的阻抗。
交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和 Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂 可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。
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1．变压器交流电桥
电桥有两臂为传感 器的差动线圈的阻 抗，所以该电路又 称为差动交流电桥
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测量电路
差动变压器输出的是交流电压，若用交 流电压表测量，只能反映衔铁位移的大 小，而不能反映移动方向。另外，其测 量值中将包含零点残余电压。为了达到 能辨别移动方向及消除零点残余电动势 目的，实际测量时，常常采用差动整流 电路和相敏检波电路。
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1．差动整流电路
是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后 将整流的电压或电流的差值作为输出，这样二次电压 的相位和零点残余电压都不必考虑。
一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过 低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁 运动产生的有用信号通过。
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典型电路
差动整流电路
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2．差动检波电路
差动相敏检波电路
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等效电路
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（2）工作原理
传感器衔铁上移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
1—可动铁芯 2—测杆 3—被测物体
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2．位移测量
测量时测头的测端 与被测件接触，被 测件的微小位移使 衔铁在差动线圈中 移动，线圈的电感 值将产生变化，这 一变化量通过引线 接到交流电桥，电 桥的输出电压就反 映被测件的位移变 化量。
1—引线 2—线圈 3—衔铁 4—测力弹簧 5—导杆 6—密封罩 7—测头
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结构
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。
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1—测杆 2—衔铁 3—线圈
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特性
从输出特性曲线（如 图4-5所示）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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内容
3.1.1 基本工作原理 3.1.2 自感式传感器的测量电路 3.1.3 自感式传感器应用
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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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3.1.1 基本工作原理
线圈的自感量等于线圈中通入单位电流 所产生的磁链数，即线圈的自感系数
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应用
采用带相敏整流的 交流电桥，其输出 电压既能反映位移 量的大小，又能反 映位移的方向，所 以应用较为广泛。
1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
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3.1.3 自感式传感器应用
用于测量位移，还可以用于测量振动、 应变、厚度、压力、流量、液位等非电 量。
电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
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变化时
当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻
抗增加 ， Z1 Z0 Z
Z2 Z0 Z
•
Uo
( Z0 Z 2Z0
1• 2)U2
Z • 2Z0 U2
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变化后的电压
当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小
于其感抗
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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3.1.2 自感式传感器的测量电路
自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化 转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。
测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式 等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电 桥式 。
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结论
只要被测非电量能够引起空气隙长度或 等效截面积发生变化，线圈的电感量就 会随之变化。
电感式传感器从原理上可分为变气隙长 度式和变气隙截面式两种类型，前者常 用于测量直线位移，后者常用于测量角 位移。
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自感式传感器
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
第3章 电感式传感器
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电感式传感器
电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量， 其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、 输出功率较大；可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应用。但其灵敏度、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。
当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
•
Uo
L 2L0
•
U2
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量 电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量 的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压 与电感变化量呈线性关系。
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2．带相敏整流的交流电桥
上述变压器式交流电桥中，由于采用交 流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 即无法判别位移的方向。
Z 2Z0
Ui
2Z0
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只要活动铁芯向一方向移动，无论在交 流电源的正半周还是负半周，电桥输出 电压均为正值。
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（3）活动铁芯向相反方向移动时
当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时， 用上述分析方法同样可以证明，无论在 的正半周还是负半周，电桥输出电压均 为负值。
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1．自感式测厚仪
采用差动结构，其测量电 路为带相敏整流的交流电 桥。当被测物体的厚度发 生变化时，引起测杆上下 移动，带动可动铁芯产生 位移，从而改变了气隙的 厚度，使线圈的电感量发 生相应的变化。此电感变 化量经过带相敏整流的交 流电桥测量后，送测量仪 表显示，其大小与被测物 的厚度成正比。
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其他电感测微头
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3.2 差动变压器式传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传 感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据 变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都 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。
有变隙式、变面积式和螺线管式等
传感器衔铁下移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
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（3）波形图
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相敏检波电路波形图
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3.2.3 差动变压器式传感器的应用
差动变压器不仅可以直接用于位移测量， 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、压力、张 力、比重和厚度等。
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差 动变压器，它可以测量1～100mm范围内的 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结 构简单、性能可靠等优点。
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3.2.1 基本工作原理
变隙式差动变压器原理图
螺线管式差动变压器原理图
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输出特性
当铁芯位于中心位置，输出 电压压称为U2零并点不残等余于电零压，这。个它电的 存在使传感器的输出特性曲 线不经过零点，造成实际特 性和理论特性不完全一致。 零点残余电压使得传感器的 输出特性在零点附近不灵敏， 给测量带来误差，它的大小 是衡量差动变压器性能好坏 的重要指标。
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差动变压器式传感器的应用
差动变压器式 加速度传感器 是由悬臂梁和 差动变压器构 成，其结构如 图所示。
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振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
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差动变压器式传感器的应用
力平衡式差压计
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差动变压器式传感器的应用
力传感器
L / I N / I
N 为磁链，为磁通（Wb），I为流 过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根 据磁路欧姆定律： NIS /，l 为磁导率，S
为磁路截面积，l 为磁路总长度。
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线圈的电感量
Rm
2 0 s0
为磁路的磁阻
L N 2 N 20S
Rm
2
变磁阻式传感器