3、电感式传感器详解
电感式压力传感器
电感式压力传感器引言电感式压力传感器是一种常用的压力测量设备，广泛应用于工业控制、医疗设备、汽车制造等领域。
本文将介绍电感式压力传感器的工作原理、结构特点以及应用领域等方面内容。
一、工作原理电感式压力传感器利用力传感器的电感变化来测量压力。
当传感器受到外界的压力作用时，弹性元件会发生形变，进而改变电感器的电感值。
因此，通过测量电感值的变化，可以得到与压力相关的电信号。
二、结构特点1. 弹性元件：电感式压力传感器的核心部件是弹性元件，它承受外界压力产生的形变。
常见的弹性元件包括金属薄膜、弹簧等，在不同的应用场景下选择不同的材料和结构。
2. 电感线圈：电感线圈是电感式压力传感器的另一个重要组成部分。
它与弹性元件相连接，并根据弹性元件的形变改变电感值。
通常，电感线圈采用绕制在磁芯上的线圈结构，通过电感线圈的变化，可以间接测量压力。
3. 信号处理电路：电感式压力传感器还包含信号处理电路，用于处理电感线圈输出的电信号。
信号处理电路可以将电感线圈的电信号转换为标准的电压或电流信号，以便用于后续的信号处理和控制。
三、应用领域1. 工业控制：电感式压力传感器广泛应用于工业控制领域，用于测量和控制各种流体的压力。
例如，在液压系统中，电感式压力传感器可以测量和监控液压系统中的压力，并根据实际情况进行自动调节。
2. 汽车制造：电感式压力传感器在汽车制造中发挥着重要作用。
它被用于测量发动机的油压、刹车系统的制动压力等，以保证汽车的正常运行和驾驶安全。
3. 医疗设备：在医疗设备中，电感式压力传感器常被用于测量生物组织的压力。
例如，在血液透析机中，电感式压力传感器能够准确测量透析器内的压力，以保证透析过程的安全和有效性。
4. 其他领域：电感式压力传感器还在航空航天、石油化工等领域得到了广泛应用。
在航空航天领域，电感式压力传感器被用于测量飞机燃料系统、液压系统等的压力；而在石油化工领域，电感式压力传感器能够测量管道内的压力，以保证生产过程的安全性和稳定性。
3电感式_自感式传感器解析
1 2
l 2 x
r
δ
3
2ra
1
变间隙型、变面积型
图4-1 变间隙型电感传感器
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图4-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
螺管型
一、工作原理（变间隙型）
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙δ 隔开。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
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少， Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，设A点电位为正，B点电位为负， 二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大 而比平衡时的C点电位降低；
而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位 增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
四、转换电路
1、调幅电路
调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，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。
当衔铁上移时：L2 L0
0
有下式：
L2 ( )2 ( )3 ...... L0 0 0 0
忽略高次非线性项Δ L与L0和Δ δ 成线性关系。同时由 于Δ L1与Δ L2不等，故在测量范围较小时，测量精度才高， 故此类适于小位移测量。
第三章电感式传感器
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
2014-3-10
四、差动电感传感器的特性
2、特性 在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测 量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量 一个增加，一个减小，形成差动形式。抵消温 度、噪声干扰，从而减小测量误差。 从灵敏度公式看出灵敏度为非差动2倍。
a)变隙式
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b)变截面式
c)单线圈螺线管式
3
一、变隙式传感器 先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流毫安 表串联后，接到机床用控制变压器的36V交 流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值 约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁 心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表 的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的 气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫 安。
仿形铣床外形
仿形头
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主轴
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四、电感式不圆度计
测量过程：
该圆度计采用旁向式电感测微头，采用钨钢或红宝石， 固定测头，工件围绕测头旋转并与测头接触，通过杠杆将 位移传递给电感测头的衔铁，从而使差动电感有相应的输 出。
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电感式不圆度测试系统
旁向式钨钢或红宝石电感测微头 杠杆
测微仪器的最小量程 为 3μ m。
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航空插头 红宝石测头
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其它感辨头
模拟式及数字式 电感测微仪
该仪表各档量程 为±3、 ±10、 ±30、 ±100um
相应指示表的分 度值为0.1、0.5、1.5 um
分辨力达0.1um， 精度为0.1%左右。
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二、电感式滚柱直径分选装置
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。
电感式传感器的工作原理及应用
电感式传感器的工作原理及应用1. 电感式传感器简介电感式传感器是一种常见的传感器类型，它利用电感元件的物理特性实现对特定物理量的测量。
它可以通过改变电感元件的感应能力来检测环境中的各种物理量，如位置、速度、压力等。
电感式传感器通常由电感元件、电路和信号处理部分组成，可以将环境中的物理量转换为电信号输出。
2. 电感式传感器的工作原理电感式传感器的工作原理基于电感元件与外部物理量之间的相互作用。
电感元件是一个线圈，当通过线圈的电流发生变化时，会在线圈周围产生磁场。
而外部物理量的改变会引起电感元件的感应能力变化，进而改变线圈中的电感。
通过测量线圈中的电感变化，可以得到外部物理量的信息。
电感式传感器可以通过几种不同的工作原理来实现对不同物理量的测量，常见的工作原理包括：•电感变化原理：利用外界物理量的变化引起线圈中电感的变化，从而间接测量外界物理量。
•磁性传感原理：利用外界磁场的变化引起线圈中电感的变化，从而间接测量外界磁场的强度、方向等。
•电容变化原理：利用外界物理量的变化引起线圈中电容的变化，从而间接测量外界物理量。
3. 电感式传感器的应用电感式传感器具有广泛的应用领域，以下列举了几个常见的应用案例：3.1 位置测量电感式传感器可以通过感应电感的变化来测量物体的位置。
通过将传感器与物体相连，当物体移动时，位置的变化会导致电感元件的感应能力发生变化，进而改变线圈中的电感。
通过测量电感的变化，可以反推出物体的位置信息。
这种应用在机器人控制、汽车导航等领域有着广泛的应用。
3.2 速度测量电感式传感器也可以通过感应电感的变化来测量物体的速度。
通过将传感器与物体相连，当物体移动时，速度的变化会引起电感元件的感应能力变化，进而改变线圈中的电感。
通过测量电感的变化率，可以获得物体的速度信息。
这种应用在航空航天、交通运输等领域中起着重要的作用。
3.3 压力测量电感式传感器还可以通过感应电感的变化来测量物体的压力。
通过将传感器与受压物体相连，当物体受到压力时，压力的变化会引起电感元件的感应能力发生变化，进而改变线圈中的电感。
传感器与检测技术第三章电感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
三、转换电路 1．反串电路
•2．桥路
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
3．差动整流电路
感•传式感传器感与器检测技术
感•传式感传器感与器检测技术
一、高频反射式涡流传感器
•线圈上通交变高频电流 •线圈产生高频交变磁场
•产生高频交变涡流 •涡流产生反磁场 •阻碍线圈电流交换作用 •等效于L或阻抗的改变
感•传式感传器感与器检测技术
二、低频透射式涡流传感器
• U L1 • 同频交变电流 • 产生一交变磁场 • 磁力线切割M • 产生涡流I • 到达L2的磁力线
传感器与检测技术第三章电 感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
原理
电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。
•位 移 •被测物理量 •振 动 •压 力 •流 量 •比
•传感 •的变 器 化
•自感系数 L
•电路 •电
•互感系数
•的变 化
压
M
•电
流
感•传式感传器感与器检测技术
电感传感器优点
▪ 灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； ▪ 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； ▪ 性能稳定，重复性好 ； ▪ 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力
感•传式感传器感与器检测技术
第一节 自感式传感器
四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响 ▪ 电源电压的波动一般允许为5%～10%。 ▪ 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响 ▪ 为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件
第三章电感式传感器讲义
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。
（一）工作原理
1、自感式传感器
有气隙型、截面型和螺管型三种结构。
组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。
图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为lδ。
Z RS2 2L2
2
优点：变压器电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出 阻抗小，桥路开路时电路呈线性； 缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应 电压，使高增益放大器不能工作。
12
3、调频式转换电路
调频电路的基本原理是传感 器自感L的变化引起输出电压 频率f的变化。一般是把传感器 自感L和一个固定电容C接入一 个振荡回路中，如右图a所示。 图中G表示振荡回路，当L变化 时，振荡频率随之变化，根据f 的大小即可算出被测量。图b给 出了f与L的特性曲线，它存在 严重的非线性。
2、互感式传感器
互感式传感器本身是其互感 系数可变的变压器，当一次线圈 接入激励电压后，二次线圈将产 生感应电压输出，互感变化时， 输出电压将作相应变化。一般， 这种传感器的二次线圈有两个， 接线方式又是差动的，故常称之 为差动变压器式传感器。
这种传感器的工作原理如右图 所示。
（二）自感线圈的等效电路
R Z
RS 2 L2
2
U SC
E 2
1
1
1 Q2
1 Q2
RS RS
L L
j
1 Q
L L
RS RS
Q L
RS
为自感线圈的品质因数。
9
①桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。 在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 L RS
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。
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变间隙式电感传感器L-δ特性
第三章 电感式传感器
第三章 电感式传感器
（1）当衔铁上移Δδ时, 传感器气隙减小Δδ,
即δ=δ0－Δδ, 则此时输出电感为L = L0+ΔL,
N 2 0 s0 L0 L L0 L 2( 0 ) 1
0 当Δδ/δ<< 1时, 可将上式用泰勒级数展开
N , r , rc k
第三章 电感式传感器
二、自感线圈的等效电路
自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线 圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。 Io
Rc Re —— 铜损电阻； Rc —— 铁心涡流损耗；
C
Rh Re L
Rh —— 铁心的磁滞损耗；
C —— 分布等效电容（线圈 绕组间）。
第三章 电感式传感器
3、磁滞损耗电阻Rh
铁心磁滞损耗功率： P
h
40 SlH f 3
3 m
（近似经验公式）
0 —— 空气磁导率；
S —— 铁心截面积；
l —— 铁心长度；
—— 与材料有关的瑞利系数；
Hm —— 磁强度幅值；
第三章 电感式传感器
Rh
U
2 L
Ph
3 L I f
转换电路类型：
*调幅式：x——A
调频式： x——f（） 调相式： x——
第三章 电感式传感器
1、调幅电路
(1) 变压器电路 z2 初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0 输出空载电压
u u u Z1 Z 2 u0 Z1 Z1 Z 2 2 2 Z1 Z 2
u/2
u0
0 s 0 r s 灵敏度
k0 dL K ds
特点 输入与输出呈线性关系，得到较大的线性范围， 灵敏度较低。
第三章 电感式传感器
第三章 电感式传感器
3. 螺线管式自感传感器
1-螺线管线圈Ⅰ； 2-螺线管线圈Ⅱ； 3-骨架； 4-活动铁芯
图 差动螺线管式电感传感器结构原理图
L0 L10 L20
f —— 交变磁化频率；
Bm —— 磁感应强度幅值；
V —— 铁心体积；
K —— 与铁心形状有关的系数；
ρm —— 铁磁材料电阻率；a —— 单片厚度或直径。
因Re为一个与电感L
并联的电阻，因此：
Pe
U
2 L
Re
2 fLI
2
Re
第三章 电感式传感器
Re
2 UL
Pe
பைடு நூலகம்
4 L2 I 2 K m
图 调相电路
第三章 电感式传感器
u u u ( R j L) u0 R j L R 2 2( R j L) U U0 e 2
2 arctg
L
R
2arctg
L
R 2 L / R L 2 1 ( L / R) L
r 1
L0 L10 L20
0 N 2 r rc 2lc
l2
k1 k2
0 N 2 r rc 2
l2
第三章 电感式传感器
当铁芯右移后，使右边电感值增加，左边电感值减小
L2
L1
r 2 0 N 2
l
l
2 r c lc x 1 r 1 r l
b）差动型
l0
c）单螺管线圈型 d）双螺管线圈差动
第三章 电感式传感器
归结于三种类型
a) 气隙型
b) 截面型
c) 螺管型
原理 x(位移、流量、振动） L （自感） U （I）
结构形式 变间隙式、变面积式和螺管式。
第三章 电感式传感器
一、自感式传感器的工作原理
线圈通以有效值为I的交流电，产生磁通为， 线圈匝数为N。 N U 则 L （类似R ） I I 由磁路欧姆定律 NI Rm L N2 NI
u/2
z1
衔铁偏离中间零点时
图 变压器电桥
Z1 Z Δ Z、Z 2 Z Δ Z，
u 0 (u / 2) (Δ Z / Z )
第三章 电感式传感器 传感器衔铁移动方向相反时
Z1 Z Δ Z、Z 2 Z Δ Z，
空载输出电压
u0 (u / 2) (Δ Z / Z )
L L0 L L0 [1 (
L L0
0
[1 (
0
)(
0
) (
2
0
)3 ...]
0
)(
0
)2 ...]
第三章 电感式传感器
L 2 [1 ( ) ( ) ...] L0 0 0 0
R
i 1
n
mi
R
i 1
n
mi
第三章 电感式传感器
L f , S
L f1 变气隙型传感器
L f 2 S 变截面型传感器
螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度 不同而变化的基础上。
x
i 1
Rmi
n
L
第三章 电感式传感器
总磁阻 li l1 l2 2 Rmi 1S1 2 S2 0 S0 i 1 i 1 i si
2 4 L L1 L2 2 L0 1 0
L1 L0 L1 L0 [1 (
)(
) (
2
)3 ...]
第三章 电感式传感器
L 2 L0 0 L L0 2 K 0
第三章 电感式传感器
2、开磁路电感传感器特点
（螺线管中间插入可动铁心）
（1）灵敏度比闭磁路电感传感器低，易受干扰。
（2）全量程范围较大，达200~300mm。 （3）线性差，低于1%，必须做成差动形式。
第三章 电感式传感器
四、自感传感器配用电路
被测量
x
L(M) 传感器
转换电路及 电量 信号调节
3 3
0 , , S0分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。 1 , l1 , S1分别为铁心的磁导率、长度和截面积。 2 , l2 , S2分别为衔铁的磁导率、长度和截面积。
N2 L 3 l1 l2 2 ) Rmi ( 1S1 2 S2 0 S0 i 1
铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和 气隙截面积的函数。
结论： ①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍； ②非线性减小。简单式电感传感器非线性误差 2 ，差动电感传感器非线性误差为 ； 0 0 ③克服温度等外界共模信号干扰。
第三章 电感式传感器
2. 变面积式自感传感器
气隙l 不变，1 2 r
L N2 l l N 2 0 s K s l l / r
QC RC
L
L
RC
KC f
KC
RC
2 L
DC 1
损耗因数与激励频率成反比。
当Rc、L一定时， 为一常数。
第三章 电感式传感器 2、涡流损耗电阻Re
由于交变磁场的存在将使铁心中产生涡流，并造成涡 流损耗。涡流损耗的平均功率为：
f a BV Pe K m
2 2 2 2 m
N2
第三章 电感式传感器
1. 变气隙式自感传感器
磁路总的磁阻为
l1 l2 2 Rm 1 s1 2 s 2 0 s 0
气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻
Rm 2 0 s0
线圈的电感为 N 2 N 2 0 s0 L Rm 2 L与δ之间是非线性关系
第三章 电感式传感器
D DC+ De+ Dh De DC DC+ De
可见，fm是对应于最小的总 损耗因数时的最佳频率，且 Dc=De。
Dh fm
f
f m Kc Ke
Dmin Kh 2 Kc Ke
第三章 电感式传感器
铁心线圈电感的品质因数为总损耗因数的倒数。
Q 1 D 1 Kc f Kfe Kh
（2）当衔铁下移Δδ时, 传感器气隙增大Δδ, 即δ=δ0＋Δδ,
则此时输出电感为L = L0－ΔL。
L L0
0 0 0 L 2 [1 ( )( ) ...] L0 0 0 0
L L0 0
[1 (
)(
)2 ...]
在 fm处，品质因数的极大值为：
Qmax 1
K
h
2 Kc Ke
第三章 电感式传感器
5、并联电容C的影响
一般在高频时考虑，可以忽略。
第三章 电感式传感器
三、自感传感器特点总结
1、闭磁路电感传感器特点
（1）灵敏度高。目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比
较大，信噪比较好。
（2）全量程范围小，只适于测量较小位移。 （3）存在非线性。 （4）消耗功率大（有较大的电磁吸力的缘故）。 （5）工艺要求不高，加工容易。
只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。 为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检 波器。
第三章 电感式传感器 （2）谐振式调幅电路
U0
j LT 1 j LT j L j C
U
图 谐振式调幅电路
谐振点的自感值
电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。
第三章 电感式传感器
2 2 2
SlH
0 3 m
磁滞损耗因数：