传感器基础教程第3章 电感式传感器

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第 3 章 电感式传感器
第
第3
3章 电感式传感器
章 电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈自感或互感的变化来实
现非电量测量的一种装置。
优点：
(1) 结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命长，稳定性也较好；
(2) 灵敏度和分辨率高，能测出 0.01μm 的位移变化；
(3) 零点稳定，漂移最小可达 0.1μm ；
(4) 测量精度高，线性度和重复性都比较好；
(5) 输出阻抗小，抗干扰能力强，输出功率大，一般也有 0.1~5V/mm 的输
出值，能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。
缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控，存在交流零位信号等。
3.1 电感式传感器（自感） 3.2 差动变压器式传感器
（互感）
3.3 电涡流式传感器（互感）
第 3 章 电感式传感器
3.1 电感式传感器
电感式传感器种类很多，根据转换原理的不同可分为自
感式和互感式（差动变压器、电涡流）两种，根据结构型式的不
同，可分为气隙型和螺管型两种。
通常所说的电感传感器是自感传感器，而自感的变化又
以磁阻变化为主，本节主要讲自感式变磁阻式传感器。
一、气隙型电感传感器结构和工作原理
二、等效电路
三、变气隙厚度式电感传感器
四、变气隙面积式电感传感器
五、螺管插铁型电感传感器
六、差动自感传感器
七、电感式传感器的应用
第 3 章 电感式传感器
一、结构和工作原理
结构：最基本的闭磁路气隙型自感式变磁阻电感传感器，由线圈、铁
芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。
由磁路基本知识，线圈的电感值
m
2
R
W
L
W—— 线圈匝数；Rm—— 磁路的总磁阻
一般空气气隙厚度很小（ 0.1 ～1mm ），可以认为气隙磁场是均匀的，
空气气隙磁阻
S
R
0
δ
2
22
2
11
1
F
S
l
S
l
R
导磁体总磁阻
第一项为铁芯磁阻，第二项为衔铁磁阻；
第 3 章 电感式传感器
ll—— 磁通通过铁芯的长度 (m) ；
Sl—— 铁芯横截面积 (m2)；
μ1—— 铁芯材料的导磁率 (H ／m)
l2—— 磁通通过衔铁的长度 (m) ；
S2—— 衔铁横截面积 (m2)；
μ2—— 衔铁材料的导磁率 (H ／m)
δ—— 气隙厚度 (m) ；S—— 气隙横截面积 (m2)；
μ0—— 空气的导磁率 (4π×10-7H／m) 。
SS
l
S
l
RRR
022
2
11
1
δFm
2
若不考虑磁路的铁损，磁路总磁阻可写为
由于 RF《Rδ，（ μ1,μ2 》μ0 ），常常忽略 RF ，因此，可得线圈电感为
第 3 章 电感式传感器
2
2
2
0
0
2
SW
S
W
L
（此外， L 还与铁芯导磁率 μ有关。某些铁磁材料在受到外力
作用时，在其内部就产生应力，从而引起导磁率发生变化，这就叫压磁
效应。这种传感器叫压磁式传感器。）
工作原理：在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为 δ ， 气隙横
截面积为 S。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度
δ
（或气隙横截面积 S）发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线
圈的电感值变化，这样可以籍以判别被测量的位移大小。
LRx
m
LRSx
m
当线圈匝数 W确定后，改变 δ 和 S 均
可导致电感的变化，因此变磁阻式传感器又可分为
变气隙厚度 δ 和变气隙面积 两种。
第 3 章 电感式传感器
二、等效电路
实际上铁芯线圈不可能呈现为纯电感， L 还包含了线圈的铜
损耗电阻 Rc ，铁芯涡流损耗电阻 Re和磁滞损耗电阻 Rh ；还存在线
圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数 C 表示。电感式传感器可
用等效电路表示，它可以用一个复阻抗 Z 来等效。
第 3 章 电感式传感器
三、变气隙厚度式电感传感器
2
2
0SW
L
当电感传感器线圈匝数 W和气隙面积 S一定
时，电感量 L 与气隙厚度 δ 成反比，是非线性关
系。
设初始气隙为 δ0，初始电感量为 L0 ，衔铁
位移引起的气隙变化量为 Δδ，那么初始电感量为
0
2
0
0
2
SW
L
当衔铁下移Δδ 时，传感器气隙增大Δδ，即
δ =δ0+Δδ，则电感量减少，
0
001 LLLL
电感变化量
)(2
0
2
0
SW
L
第 3 章 电感式传感器
电感量的相对变化为
0
0
00
1
1
1
L
L
当 （很小位移）时，可将上式展开成级数
形式为
3
0
2
000
1
L
L
当衔铁上移 Δδ 时，气隙减小Δδ，即δ=δ0－ Δδ，电感量增大，
0
000
2
1
1
L
L
1
0

忽略掉二次项以上的高次项，
00
1
L
L
ΔL1与Δδ成线性关系。
电感的相对变化量为
1
0
002
LLLLL
第 3 章 电感式传感器
忽略掉二次项以上的高次项，
ΔL2与Δδ成线性关系。
由此可见，高次项是造成非线性的主要原因，且ΔL1 和ΔL2 是不
相等的。当 Δδ/δ0 越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善。这说明了
输出特性和测量范围之间存在矛盾，所以，变气隙厚度式电感传感器用于测
量微小位移量是比较精确的（测量范围：0.001~1mm ）。一般实际应用中，
取Δδ/δ0≤0.1 。
由于 δ0 很小，所以 KL 很大。但非线性误差大，为了减小非线
性误差，增加灵敏度，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。
3
0
2
000
2
L
L
当 时，同样展开成
级数为
00
2
L
L
0
00
L
L
L
L
K
忽略二次以上项后，传感器灵敏度
为
1
0

第 3 章 电感式传感器
四、变气隙面积式电感传感器
气隙厚度保持 δ不变，而改变铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积
（即气隙磁路截面积）。
0
2
0
0
2
SW
L
设初始时铁芯与衔铁之间的相对
遮盖面积（即铁芯横截面积） S ＝ ab ，a
为截面长度， b 为截面宽度。衔铁的位移
量为 x 。则由于衔铁位移而产生的线圈电
感变化量为
 
a
x
L
bxWbWxaabW
LLL
0
2
0
2
0
2
0
0
222
其电感的相对变化量
 
ax
a
x
L
L
0
摘要：

第3章电感式传感器第第33章电感式传感器章电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈自感或互感的变化来实现非电量测量的一种装置。优点：(1)结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命长，稳定性也较好；(2)灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化；(3)零点稳定，漂移最小可达0.1μm；(4)测量精度高，线性度和重复性都比较好；(5)输出阻抗小，抗干扰能力强，输出功率大，一般也有0.1~5V/mm的输出值，能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控，存在交流零位信号等。3.1电感式传感器（自感）3.2差动变压器式传感器（互感）3.3电涡流式传...

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