概述 电感式传感器是一种机电转换装置， 特别是在自动控制设备中广泛应用。 电感式传感器利用电磁感应定律将被测 非电量（如位移、压力、流量、振动） 转换为电感或互感的变化。 按传感器结构可分为： 自感式、互感式、电涡流式。 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 3.1自感式式传传感器（变变磁阻） 结构结构: :由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有铁芯和衔铁之间有 气隙，气隙厚度为气隙，气隙厚度为 ; ; 传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移 动时动时发发 生变化，引起磁路的磁阻生变化，引起磁路的磁阻RmRm变化，使电芯线圈变化，使电芯线圈 的的 电感值电感值L L变化；变化； v 只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。 一、工作原理一、工作原理 总磁阻总磁阻 线圈匝数线圈匝数 两式联立得两式联立得: : 线圈 铁芯 衔铁 图图4-1 4-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 I I 为线圈中所通交流电的有效值。为线圈中所通交流电的有效值。 磁路电路 磁通 电流 i 磁动势 F 电动势 e 磁阻 Rm电阻 R 磁压降 Hl电压 降 u 磁导 m电导 G 欧姆定律 =F /Rm欧姆定律 i=u/R 基氏第一定律 =0基氏第一定律 i=0 基氏第二定律 F=Hl=Rm基氏第二定律 e=u=iR 空气导磁率空气导磁率 磁导率磁导率 导磁率导磁率 H/mH/m 而而 其中其中 如果如果 A A 保持不变，则保持不变，则L L为为 的单值函数，构成的单值函数，构成变气变气 隙式隙式自感传感器自感传感器 若保持若保持 不变，使不变，使A A随被测量（如位移）变化，则随被测量（如位移）变化，则 构成构成变截面式变截面式自感传感器自感传感器， ， A A L L L L= = f f ( (A A) ) L L= = f f ( ( ) ) 图图4-3 4-3 电感传感器特性电感传感器特性 衔铁下移衔铁下移 二、变气隙式自感传感器的输出特性二、变气隙式自感传感器的输出特性 线圈 铁芯 衔铁 忽略高次项：忽略高次项： 衔铁上移衔铁上移 忽略高次项：忽略高次项： 三、差动式自感传感器三、差动式自感传感器 在实际使用中，常采用两个相同的传 感线圈共用一个衔铁，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。 图图4-44-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类是变气隙型、变面积型及螺管型三种类 型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔 铁铁3 3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个移动时，一个线圈的电感量增加，另一个 线圈的电感量减少，形成差动形式。线圈的电感量减少，形成差动形式。 图图4-4 4-4 差动式自感传感器差动式自感传感器 1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆 （a a） 变气隙型变气隙型 4 3 2 1 3 1 4 1 2 34 4 （b b） 变面积型变面积型 （c c） 螺管型螺管型 变气隙型差动式自感传感器变气隙型差动式自感传感器 衔铁下移：衔铁下移： 衔铁 R1 R2 L2 L1 忽略高次项：忽略高次项： 提高一倍提高一倍 上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的 非线性误差在非线性误差在 工作范围内要比单个自感传工作范围内要比单个自感传 感器的小得多。感器的小得多。 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列 优点：优点： 线性好；线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出 信号大一倍；信号大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器温度变化、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；精度的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵 消而减小。消而减小。 四、自感式传感器的等效电路四、自感式传感器的等效电路 实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线 圈的铜损电阻圈的铜损电阻R R C C ；铁芯的涡流损耗电阻；铁芯的涡流损耗电阻R R e e ；由；由 于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电 容和电缆的分布电容，用集中参数容和电缆的分布电容，用集中参数C C表示。表示。 图图4-6 4-6 等效电路等效电路 ZC L Rc Re 五、五、 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路 1. 1. 电阻平衡臂交流电桥电阻平衡臂交流电桥 图图4-7 4-7 交流电桥交流电桥 差动的两个传感器线圈接成电桥差动的两个传感器线圈接成电桥 的两个工作臂（的两个工作臂（ Z Z1 1 、 Z Z2 2 为两个差为两个差 动传感器线圈的复阻抗），另两动传感器线圈的复阻抗），另两 个桥臂用平衡电阻个桥臂用平衡电阻 R R1 1 、 R R2 2 代替。代替。 设初始时设初始时 Z Z1 1= = Z Z 2 2= = Z Z = = R RS S + + jLjL； R R1 1 = = R R2 2 = = R R ； L L1 1 = = L L2 2= = L L0 0 。 。 工作时工作时 Z Z1 1= =R RS S+ + jwLjwL 1 1 ; ; Z Z2 2= =R RS S+ + jwLjwL 2 2 R R1 1 R R2 2 Z Z2 2 Z Z1 1 对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器： 可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与 有关，相位与衔铁移动有关，相位与衔铁移动 方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路 （如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大 小及方向。小及方向。 4 4 3 3 2 2 1 1 7575 5050 2525 0 0 5050 7575 100100 L/mH /mm 100100 2525 1 1 2 2 3 3 4 4 - 1 1、2 2为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性， 3 3为两线圈差接时的电感特性为两线圈差接时的电感特性 ， 图线图线4 4为差接后电桥输出为差接后电桥输出 电压与位移间的特性曲线。电压与位移间的特性曲线。 说明：说明：电桥输出电压的大小电桥输出电压的大小 与衔铁的位移量与衔铁的位移量 有关，相有关，相 位与衔铁的移动方向有关。位与衔铁的移动方向有关。 若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动 为负，为负， 则则U U 0 0 为负；衔铁向下移动为负；衔铁向下移动 为正，则为正，则U U 0 0 为正，相位差为正，相位差 180180。 图图4-8 4-8 变压器交流电桥变压器交流电桥 电桥电桥A A点的电位为：点的电位为： B点电位为 电桥两臂电桥两臂 Z Z1 1 、 Z Z2 2 为传感器线圈阻抗为传感器线圈阻抗 Z Z1 1 Z Z2 2 I I A A B B C C D D 初始位置 衔铁下移 衔铁上移 若线圈的若线圈的QQ值很高，损耗电阻可忽略，则值很高，损耗电阻可忽略，则 由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离 时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由 于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同 样需要经过相敏检波电路的处理。样需要经过相敏检波电路的处理。 3.2 差动变压动变压 器式传传感器（互感式） 3.2.1 工作原理 v 把被测的非电量变化转换成为 线圈互感量的变化的传感器称为 互感式传感器。 这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。 差动变压器的结构形式较多， 应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量1100mm范围内的 机械位移。 次 级 次 级 骨架 初 级 衔 铁 次 级 次 级 初 级 等效电路： 两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。 如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等 电动势相等 差动输出电压为零： 一、 工作原理 u 可见: 输出电压大小和符号反映了 铁心位移的大小和方向。 当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。 若衔铁上移 若衔铁下移 二、基本特性 由此得到输出电压有效值为 ： v 可见输出电压与互感的差值有关 根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为 铁芯向右移， 输出与E2a同极性； 铁芯向左移， 输出与E2b同极性； u输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的 距离X。Uo与Ui的相位由衔 铁的移动方向决定。 差动变压器输出电压和位移的关系 差动变压器结构形式 三、 零点残余电压 v 由于两个次级线圈绕组电 气系数 （M互感 L电感 R内阻 ）不同，几何尺寸工艺上很难 保证完全相同。实际的特性曲 线，在零点上总有一个最小的 输出电压，这个铁芯处于中间 位置时最小不为零的电压称为 零点残余电压。 四、差动变压器式传感器及测量电路 差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移 大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 （1）差动整流电路 ，输入一交流信号时 （2）相敏检波电路 （a）相敏检波电路原理图； （b）us、u2为正半周时等效电路；(c) us、u2为负半周时等效电路 上一页返 回下一页 相敏检波电路波形相敏检波电路波形 (a）被测位移变化波形图； (b)差动变压器激励电压波形； (c) 差动变压器输出电压波形； (d)相敏检波解调电压波形； (e)相敏检波输出电压波形 上一页返 回下一页 4.3 电感式传感器的应用 一、位移测量 轴向式电感 测微器的外形 航空插头 红宝石测头 其他电感测微头 模拟式及数字式 电感测微仪 轴向式电感测微器的内部结构 1引线电缆线电缆 2固定磁筒 3衔铁衔铁 4线线圈 5测测力弹弹簧 6防转销转销 7钢钢球导轨导轨 （直线轴线轴 承） 8测测杆 9密封套 10测测端 11被测测工件 12基准面 二、电感式滚柱直径分选装置 图图3-14 滚滚柱直径分选选装置 1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚测滚 柱 5 落料管 6电电感测测微器 7钨钢测头钨钢测头 8 限位挡板 9电磁翻板 10容器（料斗） 二、电感式滚柱直径分选装置 测微仪 圆柱滚子 电感式滚柱直径分选装置（外形） 滑道 分选仓位 轴承滚子外形