电感式传感器
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电感式传感器
• 需要采取相应的防护措施
成本相对较高
• 由于制造工艺和材料的要求较高，成本相对较高
• 在一些对成本敏感的应用中，可能不如其他类型的传感器受欢迎
电感式传感器的性能比较
与电阻式传感器的比较
与电容式传感器的比较
• 电感式传感器具有较高的灵敏度和精度，但成本较高
• 电感式传感器具有较高的灵敏度和精度，但受电磁场影
降低传感器的成本和体积
• 优化制造工艺，降低传感器的成本和体积
• 采用新型材料和封装技术，提高传感器的性能和寿命
电感式传感器的市场需求分析
工业领域的需求
• 自动化生产线、机器人、过程控制等领域的需求持续增长
• 对传感器的性能、稳定性和可靠性要求不断提高
家用电器领域的需求
• 家电安全检测、节能控制、智能化等领域的需求持续增长
D O C S S M A RT C R E AT E
电感式传感器原理与应用
CREATE TOGETHER
DOCS
01
电感式传感器的基本原理
电感式传感器的定义与分类
电感式传感器的定义
• 以电感量为测量对象的传感器
• 通过电感变化量来检测被测量的变化
电感式传感器的分类
• 按结构分：线圈式、磁珠式、变压器式等
• 保证磁通的稳定性和线性度
⌛️
提高传感器的稳定性和可靠性
• 采取防护措施，减小环境因素的影响
• 优化制造工艺，提高传感器的性能和寿命
电感式传感器的制作方法与技巧
线圈的制作方法
磁路系统的制作方法
传感器的封装方法
• 绕制线圈，选择合适的导线材料和
• 选择合适的磁芯材料和磁路结构
• 采用塑料、金属等封装材料，保护
电感式传感器
电感式传感器
汇报人：XX
• 电感式传感器概述 • 电感式传感器结构与设计 • 电感式传感器性能参数 • 电感式传感器测量电路 • 电感式传感器应用实例 • 电感式传感器发展趋势与挑战
01
电感式传感器概述
定义与工作原理
定义
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量转换 成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转 换为电压或电流的变化量输出的装置，用来检测位移 、压力、振动、应变、流量等参数。
铁粉芯磁芯具有较低的磁导率 和较高的饱和磁感应强度，适
用于大电流和低频电路。
硅钢片
硅钢片磁芯具有较低的磁滞损 耗和涡流损耗，适用于高精度
测量和控制系统。
非晶合金
非晶合金磁芯具有优异的磁性 能和机械性能，适用于高性能
传感器和电力电子器件。
03
电感式传感器性能参数
灵敏度与分辨率
灵敏度
电感式传感器的灵敏度是指其输出信 号与被测量变化之间的比值。高灵敏 度意味着传感器能够检测到微小的被 测量变化，并产生相应的输出信号。
压力测量应用
液压系统压力监测
在液压系统中，电感式传感器可 测量油液的压力变化，确保系统
的正常运行和安全性。
气动系统压力检测
电感式传感器可用于气动系统中， 检测气体压力的变化，为系统的稳 定性和效率提供保障。
工业过程压力监控
在化工、石油等工业过程中，电感 式传感器可实时监测管道或容器内 的压力变化，确保生产安全。
06
电感式传感器发展趋势与挑战
微型化与集成化发展趋势
微型化设计
随着微电子技术和微纳加工技术 的发展，电感式传感器的体积不 断缩小，实现微型化，有利于其 在狭小空间和复杂环境中的应用
汇报人：XX
• 电感式传感器概述 • 电感式传感器结构与设计 • 电感式传感器性能参数 • 电感式传感器测量电路 • 电感式传感器应用实例 • 电感式传感器发展趋势与挑战
01
电感式传感器概述
定义与工作原理
定义
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量转换 成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转 换为电压或电流的变化量输出的装置，用来检测位移 、压力、振动、应变、流量等参数。
铁粉芯磁芯具有较低的磁导率 和较高的饱和磁感应强度，适
用于大电流和低频电路。
硅钢片
硅钢片磁芯具有较低的磁滞损 耗和涡流损耗，适用于高精度
测量和控制系统。
非晶合金
非晶合金磁芯具有优异的磁性 能和机械性能，适用于高性能
传感器和电力电子器件。
03
电感式传感器性能参数
灵敏度与分辨率
灵敏度
电感式传感器的灵敏度是指其输出信 号与被测量变化之间的比值。高灵敏 度意味着传感器能够检测到微小的被 测量变化，并产生相应的输出信号。
压力测量应用
液压系统压力监测
在液压系统中，电感式传感器可 测量油液的压力变化，确保系统
的正常运行和安全性。
气动系统压力检测
电感式传感器可用于气动系统中， 检测气体压力的变化，为系统的稳 定性和效率提供保障。
工业过程压力监控
在化工、石油等工业过程中，电感 式传感器可实时监测管道或容器内 的压力变化，确保生产安全。
06
电感式传感器发展趋势与挑战
微型化与集成化发展趋势
微型化设计
随着微电子技术和微纳加工技术 的发展，电感式传感器的体积不 断缩小，实现微型化，有利于其 在狭小空间和复杂环境中的应用
电感式传感器
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的 等效电路如图4.2.2所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕 组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电 感；R21、R22分别为两个二次绕组的有交电阻。
和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为
.
.
U0
Z1
.
U
R1
.
U
Z1 2R
R(Z1
Z
2
)
.
U
U
Z（4-1-6）
Z1 Z2 R1 R2
(Z1 Z2 ) 2R
2Z
当ωL＞＞R’时，上式可近似为：
.
.
U0
U
L
2L
（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。
图4.2.2 差动变压器的等效电路
1-一次绕组 2、3 二次绕组 4-衔铁
.
由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：
.
I1
U1
R1 jL1
二次绕组的感应动势为：
.
E 21
jM1
.
I1
.
；E 22
jM 2
.
I1
.
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
.
E2
j(M1
M2)
R1
U1 jL1
· E0
0
x
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图4.2.3 差动变压器输出特性
I. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为
.
.
U0
Z1
.
U
R1
.
U
Z1 2R
R(Z1
Z
2
)
.
U
U
Z（4-1-6）
Z1 Z2 R1 R2
(Z1 Z2 ) 2R
2Z
当ωL＞＞R’时，上式可近似为：
.
.
U0
U
L
2L
（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。
图4.2.2 差动变压器的等效电路
1-一次绕组 2、3 二次绕组 4-衔铁
.
由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：
.
I1
U1
R1 jL1
二次绕组的感应动势为：
.
E 21
jM1
.
I1
.
；E 22
jM 2
.
I1
.
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
.
E2
j(M1
M2)
R1
U1 jL1
· E0
0
x
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图4.2.3 差动变压器输出特性
I. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
第四章电感式传感器
式中，r 、rc 为螺管、铁芯的半径；l、l为c 螺管、铁芯 的长度； lc 、rc 位移量。
所以，传感器灵敏度为：
K
4 2 N 2
l2
r
1 rc2
107
采用差动形式，灵敏度可提高一倍。 提高灵敏度的途径：
①使线圈与铁芯尺寸比值和趋于1； ②铁芯的材料选用导磁率大的材料。
三种自感式传感器的比较： ◆ 变间距式: 灵敏度最高，且随间距增大而减小；
4.2.4 误差因素分析
（1）激励电源的影响 幅值和频率都会直接影响输出，必须适当选择 合适的值。
（2）温度的影响： 温度变化，引起线圈磁场发生变化，从而产生 温漂（品质因数Q低时，影响更为严重。
解决方法：①采用恒流源供电； ②提高线圈的品质因数； ③采用差动电桥。
（3）零点残余电压 差动变压器在初始状态下，衔铁处于中间位置， 存在零点残余电压，
常用测量电路为： ◆ 差动整流电路 ◆ 相敏检波电路
1. 差动整流电路 差动整流电路分为全波和半波电路，如图所示：
以图（c）为例，波形变化为：
2．相敏检测电路
4.2.6 应用
(1)差动变压器式加速度传感器
(2)差动变压器式微压力变送器
微压传感器
退出
电感测微仪------差动式自感传感器测量微位移
4.1 自感式传感器
自感传感器的常见形式有气隙型和螺管型。
一、气隙型电感传感器 1. 工作原理：
线圈的电感为：
N2 L
Rm
Rm
l1
1S1
l2
2S2
l
0S
一般铁心的磁阻远较气隙磁阻小，有
Rm
l
0S
电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数N 平方成正比；与空气隙有效截面积S成正比；与 空气隙长度所反比。
第六章 电感式传感器
0
3
灵敏度：
L2
L0
0
1
0
0
2
0
3
K
L / L0
1 2
0
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
实际上由于线圈内部的磁场是不均匀的，电感量的增 量ΔL与△x存在着一定的非线性。
为提高灵敏度和线性度，螺线管型自感式传感器常 采用差动结构。
6.1 自感式传感器
广西大学电气工程学院
双螺管型差动型
L1
L2
u
x
特性曲线
等效电路
将传感器两线圈接于电桥 的相邻桥臂时，其输出灵 敏度可提高一倍，并改善 了非线性特性，还能减少 干扰影响。
• 对电源采取稳压、稳频、屏蔽、加滤波电容等 措施，可减弱或消除电源的影响。
• 铁芯磁感应强度的工作点一定要选在磁化曲线 的线性段，以免在电源电压波动时，铁芯磁感 应强度进入饱和区而使导磁率发生很大变动。
6.1 自感式传感器
零点残余电压及其补偿
在电桥预平衡时，无法实 现平衡，最后总要存在着 某个输出值ΔU0，这称为 零点残余电压
应在设计制造时采取措施， 保证两电感线圈的对称。
减少电源中的谐波成分 在测量电桥中接入可调电
位器 采用相敏整流电路
广西大学电气工程学院
理想状态
ΔU0
实际状态
uo
理想状态
实际状态
第六章 电感式传感器
广西大学电气工程学院
电感式传感器及其应用全文
电感式传感器及其应用3.1自感式传感器3.2差动变压器式电感式传感器 3.3电涡流式电感传感器3.4电感式传感器的应用电感传感器（Inductance sensor）利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感量或互感量的变化，进而由测量电路转换为电压或电流的变化量。
电感式传感器种类很多，主要有自感式、互感式和电涡流式三种。
可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量信号主要特点有：◆结构简单、工作可靠；◆灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化；◆测量精度高、零点稳定、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采用；主要缺点有：◆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。
3.1自感式传感器3.1.1传感器线圈的电气参数分析3.1.2自感式传感器3.1.3自感式传感器的误差3.1.1一.传感器线圈的电气参数分析如图，其为一种简单的自感式传感器，当衔铁随被测量变化而上、下移动时，其与铁心间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非量到电量的变换。
可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。
1 l0 2类似于上述自感式传感器，变磁阻式传感通常都具有铁心线圈或空心线圈(后者可视作前者特例)。
电路参数及其影响：1.线圈电感L由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为式中——磁路总磁阻(31)-m R mR W L /2=当线圈具有闭合磁路时－导磁体总磁阻当线圈磁路具有小气隙时式中——气隙总磁阻(32)-(33)-δR δR W L /2=F R F R W L /2=等效磁导率:即将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为μe ，磁通截面积为S，磁路长度为l式中——真空磁导率，＝4π×10-7(H/ｍ)2.铜损电阻 取决于导线材料及线圈的几何尺寸3.涡流损耗电阻由频率为ｆ的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。
第三章 电感式传感器
所以
a L L' L0 L0 a
L L0 1 K0 a a
其灵敏度系数K0为
但是，由于漏感等原因，变面积式自感传感器在A=0时，仍 有一定的电感，所以其线性区较小，为了提高灵敏度，常将 δ做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，它的量程 也不大，在工业中用得不多。
3 螺管型自感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁 芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管 线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁 芯的位移量有关。
螺旋管
l r 铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度， 比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。
U SC
Z1 Z2 Z1 Z 2 E E L1 L2 （Z1 Z2） 2 （Z1 Z2） 2
δ δ δ 2 δ 3 L1 L0 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
L2 L0 δ δ δ 2 δ 3 [1 ( )( ) ( ) ] δ0 δ0 δ0 δ0
R
L L1 L2 2 L0 [1 0 0
L 2 L0 0
2
]
4
L L0 2 K0 0
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提 高一倍。 ②差动式自感传感器非线性失真小。
第三章 电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非 电量如位移、压力、振动、流量等转换成线圈自 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的传感器。
电感式传感器
将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等） 相结合，可以组成各种形式的压力传感器。
5 4 6 7
～220V 稳压电源
振荡器 V
3 差动变压器 1 相敏检波电路
2
1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳
这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出 信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。
3.加速度传感器
• 用于测定振动物体的频率和振幅时其激励频率必 须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量 结果。可测量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为 (0～150)Hz。
1 2 振荡器 检 波 器 滤 波 器 输出
稳压电源
a
～220V
(b)
1 弹性支承 2 差动变压器
1
(a)
加速度a方向
电感式传感器
电感式传感器的概念
• 电感式传感器建立在电磁感应的 基础上，把输入物理量转换为线 圈的电感或互感的变化，在由电 流或电压的变化。
被测非电量
电磁 感应
自感系数L
互感系数M 测量电路
U I
电感式传感器
优点： 结构简单 工作可靠 灵敏度高 分辨率高 线性度较好 测量精度高 零点稳定 输出功率 较大 ，在检测技术 工业生产和科学研究领 域得到了广泛的应用。 缺点： 存在交流零位信号，不适于高频动态信号 测量。
电涡流式传感器的测量电路 • 利用电涡流式变换元件进行测量时，为了得 到较强的电涡流效应； • 通常激磁线圈工作在较高频率下，所以信号 转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。
1.调幅式（AM）电路
调幅式电路结 构
电磁炉工作示意图
电磁炉内部励磁线圈
5 4 6 7
～220V 稳压电源
振荡器 V
3 差动变压器 1 相敏检波电路
2
1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳
这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出 信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。
3.加速度传感器
• 用于测定振动物体的频率和振幅时其激励频率必 须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量 结果。可测量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为 (0～150)Hz。
1 2 振荡器 检 波 器 滤 波 器 输出
稳压电源
a
～220V
(b)
1 弹性支承 2 差动变压器
1
(a)
加速度a方向
电感式传感器
电感式传感器的概念
• 电感式传感器建立在电磁感应的 基础上，把输入物理量转换为线 圈的电感或互感的变化，在由电 流或电压的变化。
被测非电量
电磁 感应
自感系数L
互感系数M 测量电路
U I
电感式传感器
优点： 结构简单 工作可靠 灵敏度高 分辨率高 线性度较好 测量精度高 零点稳定 输出功率 较大 ，在检测技术 工业生产和科学研究领 域得到了广泛的应用。 缺点： 存在交流零位信号，不适于高频动态信号 测量。
电涡流式传感器的测量电路 • 利用电涡流式变换元件进行测量时，为了得 到较强的电涡流效应； • 通常激磁线圈工作在较高频率下，所以信号 转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。
1.调幅式（AM）电路
调幅式电路结 构
电磁炉工作示意图
电磁炉内部励磁线圈
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• 为限制非线性， 示值范围较小；
截面型 • 较好的线性；
• 自由行程大，制造装配方 便；
• 灵敏度低；
螺管型 • 结构简单，制造装配简单； • 灵敏度低； • 线性范围大； • 批量生产中的互换性好；
8
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。
3
第一节 工作原理
线圈自感计算公式：
L N2 Rm
线圈 铁芯 δ
L:线圈的电感值
衔铁
Δδ
N：线圈匝数；
Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)
4
图示自感传感器，因为气隙较小(δ为0.1～1mm)，所以，认 为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为
Rm
li 2 iSi 0S
差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： ① 非线性误差减小一个数量级； ② 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大 一倍； ③ 温度变化、电源波动、外界干扰等环境因素对传感 器精度的影响，能互相抵消，起到补偿作用。
二、 互感式传感器
组成：基本元件有磁心、初级 线圈、次级线圈和线圈框架。 一般形式：这种传感器是根据变 压器的基本原理制成的，并 且传感器的二次侧线圈有两 个，接线方式又是差动的， 故常称之为差动变压器式传 感器。
12
ω为电源角频率
Uo E jMU (R1 jL1) Uo MU R12 (L1)2
结论： 输出电压信号将随互感M变化而变化; 传感器工作时，被测量的变化将使磁芯位移，后者引 起 磁链ψ12和互感M变化，最终使输出电压变化。
13
差动变压器的结构形式多种，按工作方式分 为变气隙式、变面积式和螺管式；按结构形式分为 五段式、四段式、三段式和两段式。
则代入上式可得
uo
2(1
u 1
/
Q
2
)
[ΔL
L
1 Q2
(ΔR
R
)]
若能设计成ΔL/L=ΔR/R，或使其有较大的Q值，则上
式为
uo (u / 2) (L / L)
一、自感式传感器转换电路 1.3、谐振式调幅电路
基本组成：传感器自感L、固定电容C、变压器T。
23
一、自感式传感器转换电路 工作原理：
11
基本原理：
一次线圈通入激励电流I1时,它将
产生磁通Φ11（线圈N1所链磁通）， 其中将有一部分磁通Φ12将穿过匝 数为N2的二次线圈，从而在线圈N2 中产生互感电动势E 。
则二次线圈开路输出电压的表达 式和其有效值为：
U o E j MU (R1 j L1)
U o MU R12 ( L1)2
其中： R1和L1为一次线圈的电阻和电感量； M为线圈N1对N2的互感系数；
f 1 (2π LC )
当L变化时，振荡频率随之发生变化，根据f的大小可计 算出被测量。
25
一、自感式传感器转换电路 2、调频电路 基本原理:
振荡回路的振荡频率为 f 1 (2π LC )
当L发生微小变化ΔL，频率变化Δf为
Δf (LC )3/ 2CΔL /(4π) ( f / 2) (ΔL / L)
接入外接电源u后，变压器的二次侧将有电压 u0输出， 输出电压频率与电源频率相同，幅度随L变化。
右图所示为输出电压u0与自感L的关系曲线，其中L0为 谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近 线性的一段。
24
2、调频电路
一、自感式传感器转换电路
基本结构:传感器自感L和一个固定电容C接入 一个震荡 回路中（图中G表示振荡回路），其振荡频率为
线圈 铁芯
li： 各段导磁体的长度；
μi：各段导磁体的磁导率；
Si： 各段导磁体的截面积；
衔铁
μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；
S： 空气隙截面积
δ Δδ
5
代入L，得
L N2 Rm
N2
li
i Si
2
0
S
结论：
自感（电感值）L是气隙的截面积和气隙长度的函数，即 L＝f(δ,S)；
目 前 多 采 用 螺 管 型 差 动 变 压 器 ， 可 测 量 0100mm的机械位移。
2
1
3
4
螺管型 1 初级线圈P；2.3次级线圈S1、S2；4 铁芯
15
铁芯
螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二段式、
三段式、四段式和五段式等形式。
1
21 21Fra bibliotek112 1 2 1
23
(a) 二段式
(b) 三段式
6
•若S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙型传感器； •若保持δ不变，使S随位移变化，则构成变截面型传感器；
•线圈中放入圆形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位 移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。
7
自感传 感器
优点
缺点
气隙型 • 灵敏度高；
• 对后续电路放大倍数要求 低；
• 非线性严重；
源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为u/2。
20
输出空载电压：
一、自感式传感器转换电路
初始平衡， Z1=Z2=Z，u0=0。磁芯偏离中间零点， Z1=Z＋ΔZ， Z2=Z－ΔZ，输出电压变为
21
一、自感式传感器转换电路
传感器线圈的阻抗变化ΔZ由损耗电阻变化ΔR及感抗变 化ωΔL两部分组成。考虑到电感线圈的品质因数Q=ωL/R，
2
3
(c) 四段式
(d) 五段式
图4-10 差动变压器线圈各种排列形式
1 初级线圈；2 次级线圈；3 铁芯
三段式的零点电位较小，二段式比三段式灵敏度高、线
性范围大，四段式和五段式改善了传感器线性度。
第二节 转换电路和传感器灵敏度
被测量→自感（互感） →转换电路→后级电路 转换电路的作用：把自感（或互感）接入不同的转换电
传感器
第三章 电感式传感器
1
第三章 电感式传感器
定义：是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的 装置。
被测量：位移、加速度、压力、应变等。
2
第一节 工作原理
一、 自感式传感器
组成：线圈1，铁芯2和衔铁3等。
图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为2δ,可以认为
磁路封闭。
线圈 铁芯
δ
衔铁
Δδ
路后，原则上可将其转换为电压（电流）的幅值、频 率、相位的变化。 转换电路的形式：调幅电路、调频电路和调相电路，其 中调幅电路应用较多。
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一、自感式传感器转换电路 1、调幅电路 1.1、交流电桥
在第二章的电阻式传感器中已讨论。 1.2、变压器电桥 基本结构：Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电
下图为L和f的特性曲线。
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一、自感式传感器转换电路 2、调频电路
截面型 • 较好的线性；
• 自由行程大，制造装配方 便；
• 灵敏度低；
螺管型 • 结构简单，制造装配简单； • 灵敏度低； • 线性范围大； • 批量生产中的互换性好；
8
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。
3
第一节 工作原理
线圈自感计算公式：
L N2 Rm
线圈 铁芯 δ
L:线圈的电感值
衔铁
Δδ
N：线圈匝数；
Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)
4
图示自感传感器，因为气隙较小(δ为0.1～1mm)，所以，认 为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为
Rm
li 2 iSi 0S
差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： ① 非线性误差减小一个数量级； ② 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大 一倍； ③ 温度变化、电源波动、外界干扰等环境因素对传感 器精度的影响，能互相抵消，起到补偿作用。
二、 互感式传感器
组成：基本元件有磁心、初级 线圈、次级线圈和线圈框架。 一般形式：这种传感器是根据变 压器的基本原理制成的，并 且传感器的二次侧线圈有两 个，接线方式又是差动的， 故常称之为差动变压器式传 感器。
12
ω为电源角频率
Uo E jMU (R1 jL1) Uo MU R12 (L1)2
结论： 输出电压信号将随互感M变化而变化; 传感器工作时，被测量的变化将使磁芯位移，后者引 起 磁链ψ12和互感M变化，最终使输出电压变化。
13
差动变压器的结构形式多种，按工作方式分 为变气隙式、变面积式和螺管式；按结构形式分为 五段式、四段式、三段式和两段式。
则代入上式可得
uo
2(1
u 1
/
Q
2
)
[ΔL
L
1 Q2
(ΔR
R
)]
若能设计成ΔL/L=ΔR/R，或使其有较大的Q值，则上
式为
uo (u / 2) (L / L)
一、自感式传感器转换电路 1.3、谐振式调幅电路
基本组成：传感器自感L、固定电容C、变压器T。
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一、自感式传感器转换电路 工作原理：
11
基本原理：
一次线圈通入激励电流I1时,它将
产生磁通Φ11（线圈N1所链磁通）， 其中将有一部分磁通Φ12将穿过匝 数为N2的二次线圈，从而在线圈N2 中产生互感电动势E 。
则二次线圈开路输出电压的表达 式和其有效值为：
U o E j MU (R1 j L1)
U o MU R12 ( L1)2
其中： R1和L1为一次线圈的电阻和电感量； M为线圈N1对N2的互感系数；
f 1 (2π LC )
当L变化时，振荡频率随之发生变化，根据f的大小可计 算出被测量。
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一、自感式传感器转换电路 2、调频电路 基本原理:
振荡回路的振荡频率为 f 1 (2π LC )
当L发生微小变化ΔL，频率变化Δf为
Δf (LC )3/ 2CΔL /(4π) ( f / 2) (ΔL / L)
接入外接电源u后，变压器的二次侧将有电压 u0输出， 输出电压频率与电源频率相同，幅度随L变化。
右图所示为输出电压u0与自感L的关系曲线，其中L0为 谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近 线性的一段。
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2、调频电路
一、自感式传感器转换电路
基本结构:传感器自感L和一个固定电容C接入 一个震荡 回路中（图中G表示振荡回路），其振荡频率为
线圈 铁芯
li： 各段导磁体的长度；
μi：各段导磁体的磁导率；
Si： 各段导磁体的截面积；
衔铁
μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；
S： 空气隙截面积
δ Δδ
5
代入L，得
L N2 Rm
N2
li
i Si
2
0
S
结论：
自感（电感值）L是气隙的截面积和气隙长度的函数，即 L＝f(δ,S)；
目 前 多 采 用 螺 管 型 差 动 变 压 器 ， 可 测 量 0100mm的机械位移。
2
1
3
4
螺管型 1 初级线圈P；2.3次级线圈S1、S2；4 铁芯
15
铁芯
螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二段式、
三段式、四段式和五段式等形式。
1
21 21Fra bibliotek112 1 2 1
23
(a) 二段式
(b) 三段式
6
•若S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙型传感器； •若保持δ不变，使S随位移变化，则构成变截面型传感器；
•线圈中放入圆形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位 移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。
7
自感传 感器
优点
缺点
气隙型 • 灵敏度高；
• 对后续电路放大倍数要求 低；
• 非线性严重；
源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为u/2。
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输出空载电压：
一、自感式传感器转换电路
初始平衡， Z1=Z2=Z，u0=0。磁芯偏离中间零点， Z1=Z＋ΔZ， Z2=Z－ΔZ，输出电压变为
21
一、自感式传感器转换电路
传感器线圈的阻抗变化ΔZ由损耗电阻变化ΔR及感抗变 化ωΔL两部分组成。考虑到电感线圈的品质因数Q=ωL/R，
2
3
(c) 四段式
(d) 五段式
图4-10 差动变压器线圈各种排列形式
1 初级线圈；2 次级线圈；3 铁芯
三段式的零点电位较小，二段式比三段式灵敏度高、线
性范围大，四段式和五段式改善了传感器线性度。
第二节 转换电路和传感器灵敏度
被测量→自感（互感） →转换电路→后级电路 转换电路的作用：把自感（或互感）接入不同的转换电
传感器
第三章 电感式传感器
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第三章 电感式传感器
定义：是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的 装置。
被测量：位移、加速度、压力、应变等。
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第一节 工作原理
一、 自感式传感器
组成：线圈1，铁芯2和衔铁3等。
图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为2δ,可以认为
磁路封闭。
线圈 铁芯
δ
衔铁
Δδ
路后，原则上可将其转换为电压（电流）的幅值、频 率、相位的变化。 转换电路的形式：调幅电路、调频电路和调相电路，其 中调幅电路应用较多。
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一、自感式传感器转换电路 1、调幅电路 1.1、交流电桥
在第二章的电阻式传感器中已讨论。 1.2、变压器电桥 基本结构：Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电
下图为L和f的特性曲线。
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一、自感式传感器转换电路 2、调频电路