传感器与检测技术第04章 电感式传感器

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第四章 电感式传感器
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，从而导
致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感
器可以分为自感式和互感式两大类。
4.1 自感式电感传感器
自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。
4.1.1 原理分析
4.1.1.1 变间隙型电感传感器
变间隙型电感传感器的结构示意图如图 4.1.1 所示。
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物
体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由
于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。
线圈的电感可用下式表示： (4-1-1)
式中， N 为线圈匝数；
Rm
为磁路总磁阻。
δ
1
2
3
图4.1.1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
m
R
N
L
2
对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为
(4-1-2)
式中， l1 为铁心磁路长； l2 为衔铁磁路长； A为截面积；
µ1
为铁心磁导率；
µ2
为衔
铁磁导率；
µ0
为空气磁导率；
δ
为空气隙厚度。
因此有：
（ 4-1-3 ）
一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表
示为
（ 4-1-4 ）
” 由上式可以看出传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了发送非线性，气隙的相对
变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。
4.1.1.2 变面积型电感传感器
由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测
量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，
其结构示意图见图 4.1.2 。
通过对式（ 4-1-4 ）的分析可知，线圈电感量 L 与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面
积 A 却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图 4.1.3 。
AA
l
A
l
R
m
02
2
1
1
2
AA
l
A
l
N
R
N
L
m
02
2
1
1
22
2
2
0
2
AN
L
δ
1
2
3
L
δ, A
L=f(A)
L=f(δ)
图4.1.3 电感传感器特性图4.1.2 变面积型电感传感器
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
4.1.1.3 螺管型电感式传感器
图 4.1.4 为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，
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。线圈电感量的大小与衔
铁插入线圈的深度有关。
l
r
x
2ra
1
2
图4.1.4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
设线圈长度为
l
、线圈的平均半径为
r
、线圈的匝数
为
N
、衔铁进入线圈的长度
la
、衔铁的半径为
ra
、铁心的
有效磁导率为
µm
，则线圈的电感量
L
与衔铁进入线圈的长
度
la
的关系可表示为
 
22
2
22
)1(
4
aam
rllr
l
N
L
（4-1-5 ）
通过以上三种形式的电感式传感器的分析 , 可以得出以下几点结论 :
I. 变间隙型灵敏度较高 ,但非线性误差较大 ,且制作装配比较困难。
II. 变面积型灵敏度较前者小 ,但线性较好 ,量程较大 ,使用比较广泛。
III. 螺管型灵敏度较低 ,但量程大且结构简单易于制作和批量生产 ,是使用最广泛的一种
电感式传感器。
4.1.1.4 差动式电感传感器
在实际使用中 , 常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁 , 构成差动式电感传感器 , 这
样可以提高传感器的灵敏度 , 减小测量误差。图 4.1.5 是变间隙型、变面积型及螺管型三
种类型的差动式电感传感器。
l2
3
4
a) b)
l23
4
l3
4
c)
图4.1.5 差动式电感传感器
a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
差动式电感传感器的结构
要求两个导磁体的几何尺寸
及材料完全相同，两个线圈
的电气参数和几何尺寸完全
相同。
差动式结构除了可以改
善线性、提高灵敏度外，对
温度变化、电源频率变化等
影响，也可以进行补偿，从
而减少了外界影响造成的误
差。
4.1.2 测量电路
交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电
路的电压或电流输出。
前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作
形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压
器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图 4.1.6是交流电桥的几种常用形式。
M
LL
c) 紧耦合电感臂电桥
U
．U/2
．
U/2
．U0
．
b) 变压器式电桥
Z1
Z2
Z1
Z2
U0
．
U
．
R1
R2
R1
ˊ
U
．
ˊ
R2
Z1
L1
L2
Z2
ZLU0
．
a) 电阻平衡臂电桥
图4.1.6 交流电桥的几种形式
4.1.2.1 电阻平衡臂电桥
电 阻 平 衡 臂 电桥如 图 4.1.6a 所 示 。 Z1 、 Z2 为 传 感 器 阻 抗。 高 ;L1=L2=L;则 有
Z1=Z2=Z=R′+jwL, 另有R1=R2=R 。 由 于 电 桥工 作 臂是差动形式，则在工作
时， Z1=Z+△Z 和Z2=Z—△Z ，当 ZL→∞ 时，电桥的输出电压为
（ 4-1-6 ）
当ωL ＞＞ R’时，上式可近似为：
（ 4-1-7 ）
由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。
4.1.2.2 变压器式电桥
变压器式电桥如图 4.1.6b 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： （ 4-1-8）
由于是双臂工作形式当衔铁下移时， Z1=Z-△Z ，Z2=Z+△Z ，则有： （ 4-1-9）
同理，当衔铁上移时，则有： （ 4-1-10 ）
由式（ 4-1-9）和式（ 4-1-10 ）可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于
是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。
图 4.1.7是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交
流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。
Z
ZU
U
RZZ
ZZRRZ
U
RR
R
U
ZZ
Z
U
22)(
)(2
.
.
21
211
.
21
1
.
21
1
0
.
L
LU
U
2
.
0
.
21
12
..
2
21
..
.
2
0
.
222 ZZ
ZZ
UU
Z
ZZ
UU
IZU
Z
ZU
U
2
.
0
.
Z
ZU
U
2
.
0
.
摘要：

第四章电感式传感器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，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。4.1自感式电感传感器自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。4.1.1原理分析4.1.1.1变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器的结构示意图如图4.1.1所示。传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：(4-1-1)式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。δ123图4.1...

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