第3章电感式传感器原理及其应用详解

电感式传感器的原理及应用摘要：文章介绍了电感式传感器的原理及使用，并对常见的三种电感式传感器进行对比分析，最后通过工程中轴承滚珠分选实例论述了涡流式传感器的设计思路。

关键词：电感式传感器；滚珠分选；涡流式传感器1 前言传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成了一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。

传感器在产品检验和质量控制、系统安全经济运行监测、自动化生产与控制系统的搭建和推动现代科学技术的进步等方面均具有重要意义。

2 电感式传感器的原理与分类传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用于输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

可以完成检测和转换两个基本功能。

2.1工作原理电感式传感器是建立在电磁感应基础上，把输入的物理量转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化，并通过测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化，从而将非电量转换为电信号输出，实现对非电量的测量。

目前普遍采用交流电桥作为电感式传感器的测量转换电路，将传感器的电感改变转换为交流电压信号，经放大后向外输出[1]。

2.2分类电感式传感器按照转换方式的不同，可分为可变磁阻式（自感式）、差动变压器式和涡流式（互感式）等种类。

（1）变磁阻式传感器变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。

在铁心和衔铁间有气隙，当衔铁移动时气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。

通过测量电感量的变化就能确定衔铁位移量的大小和方向。

变磁阻式传感器主要用于测量微小位移，实际测量中广泛采用差动变隙式电感式传感器。

（2）差动变压器式传感器差动变压器式传感器是互感式传感器，其工作原理是利用电磁感应，将被测位移量的变化转换成变压器线圈的互感系数的变化，再由测量电路转成电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量的转换。

工业检测中，应用最为普遍的传感器是线性差动变压器（LVDT），用于测量机械位移，汽轮机主汽阀行程测量就是使用的LVDT，具有分辨率高、重复性高、线性度高、灵敏度高、使用寿命长且可靠性好等优点。

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及应用§3-1 自感式1．说明单线圈和差动变隙式传感器的主要组成、工作原理和基本特性。

2．为什么螺线管式电感传感器比变隙式电感传该器有更大的测位移范围？3．根据单线圈和差动螺线管式电感传该器的基本特性，说明它们的性能指标有何异同。

4．电感式传该器测量电路的主要任务是什么？变压式电桥和带相敏整流的交流电桥，谁能更好的完成这一任务？为什么？5．说明电动测微仪和电感式压力传该器的基本组成和工作原理。

作业题1. 利用原理，将非电量的变化转换成线圈（或）变化的装置，叫电感式传该器。

该传该器可分为和两大类。

（电磁感应；电感；互感；自感式；互感式）2. 自感式有式和式。

以上每种形式又可再分为式与式两种结构。

（闭路变隙；开路螺线管；单线圈；差动）3. 闭磁路变隙式电感传该器主要有、和等部分组成。

而单线圈螺线管式电感传该器则由、和等部分组成。

（铁磁性壳体；线圈；活动铁心）4. 由单线圈变隙式电感传该器的基本特性可知，其与、相矛盾。

为解决这一矛盾，通常采用或电感传该器。

（测量范围；灵敏度；线性度；差动变隙式；螺线管式）5．写下面的比较表：比较项目闭磁路变隙式电感传该器开磁路螺线管式电感传该器灵敏度高低测量范围较小较大测量误差3%左右±5%左右制造装配困难方便，批量生产互换性强应用逐渐减小越来越多6. 在工程技术中，电感式传该器经常用来测量、、、、、、、及等非电量。

（位移；尺寸；振动；力；压力；转矩；应力；流量；比重）7. 电动测微仪是用于测量变化的仪器，其主要优点为、、以及等等。

（微小位移；重复性好；精度高；灵敏度高；输出信号便于处理）8. 电动测微仪的测量电路有电桥、电桥和电桥等，而应用最多的为的交流电桥。

（紧耦合电感；变压器式交流；带相敏整流；带相敏整流）9．当电动测微仪采用变压器式交流电桥时，不论衔铁向哪个方向移动，电桥输出电压总是。

因此，不论采用，还是都无法判别该输出电压的，即无法判别衔铁。

第3章电感式传感器本章要点：电感式传感器的概念、原理、种类、特性及用途变磁阻式传感器的结构、原理及应用差动变压器式传感器的结构、原理及应用电涡流式传感器的结构、原理及应用概述电感式传感器(inductance type transducer)是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的转变，再由测量电路转换为电压或电流的转变量输出的一种传感器。

由铁心和线圈组成的将直线或角位移的转变转换为线圈电感量转变的传感器，又称电感式位移传感器。

这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是必然的，其电感量的转变是由于位移输入量致使线圈磁路的几何尺寸转变而引发的。

当把线圈接入测量电路并接通鼓励电源时，就可取得正比于位移输入量的电压或电流输出。

依照工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式传感器（variable reluctive transducer）、变压器式传感器(transformer type transducer )和电涡流式传感器(eddy current type transducer)等种类。

外形如彩图3、彩图3-1及彩图3-2所示。

电感式传感器有以下特点：工作靠得住，寿命长；灵敏度高，分辨率高(位移转变μm，角度转变’’)；测量精度高，线性好(非线性误差可达%%)；性能稳固，重复性好。

电感式传感器的要紧缺点是灵敏度、线性度和测量范围彼此制约,存在交流零位信号，传感器自身频率响应低，不适用于高频动态测量。

电感式传感器要紧用于位移测量和能够转换成位移转变的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和操纵，在工业自动操纵系统中被普遍采纳。

在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式操纵位置误差的电子信号发生器，其用途超级普遍。