电感传感器工作原理及输出特性分析

电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量（如位移、压力、振动等）转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型（包括可变磁阻式与涡流式）、互感型（如差动变压器式）等两大类型。

一、自感型电感式传感器

自感型可分为可变磁阻式和涡流式两类。

1.可变磁阻式电感传感器

典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图3-20所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙δ，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙δ发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻Rm有关，即

图3-20 可变磁阻式电感传感器

1—线圈；2—铁心；3—活动衔铁；4—测杆；5—被测件

L＝W2/Rm 　（3-31）

式中，W为线圈匝数；Rm为总磁阻。

如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为

式中，l为铁心导磁长度（m）；μ为铁心导磁率（H/m）；A 为铁心导磁截面积（m2），A＝a·b；δ为空气隙（m），δ＝δ0±Δδ；μ0为空气导磁率（H/m），μ0＝2π×10﹣7；A0为空气隙导磁截面积（m2）。

由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁心的磁阻可以忽略不计，故

将式（3-33）代入式（3-31），得

式（3-34）表明，自感L与空气隙δ的大小成反比，与空气隙隙导磁截面积A0成正比。当固定A0不变，改变δ时，L与δ呈非线性关系，此时传感器的灵敏度

由式（3-35）得知，传感器的灵敏度与空气隙δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，同变极距型电容式传感器类似。为了减小非线性误差，通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取Δδ/δ0≤0.1。这种传感器适用于较小位移的测量，一般为0.001～1mm。此外，这类传感器还常采用差动式接法。图3-21为差动型磁阻式传感器，它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁位于中间位置（位移为零）时，两线圈的自感L相等，输出为零。当衔铁有位移Δδ时，两个线圈的间隙为δ0＋Δδ、δ0－Δδ，这表明一个线圈自感增加，而另一个线圈自感减小，将两个线圈接入电桥的相邻臂时，其输出的灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性，消除了外界干扰。

图3-21 可变磁阻差动式传感器

图3-22 可变磁阻面积型电感传感器

1—线圈；2—铁心；3—活动衔铁；4—测杆；5—被测件

可变磁阻式传感器还可做成如图3-22所示改变空气隙导磁截面积的形式，当固定δ，改变空气隙导磁截面积A0时，自感L与A0呈线性关系。

如图3-23所示，在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，磁阻将变化，导致自感L的变化。这种传感器结构简单，制造容易，但是其灵敏度较低，适合于测量比较大的位移量。

2.涡流式传感器

涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图3-24所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ。当线圈输入一交变电流i0时，便产生交变磁通量Φ。金属板在此交变磁场中会产生感应电流i，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。

图3-23 可变磁阻螺管型传感器

1—线圈；2—铁心

图3-24 高频反射式涡流传感器(www.xing528.com)

涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。

1）高频反射式涡流传感器

如图3-24所示，高频（＞1MHZ）激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离δ、金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i0及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

2）低频透射式涡流传感器

图3-25 低频透射式涡流传感器

（a）原理图；（b）曲线图

低频透射式涡流传感器的工作原理如图3-25所示，发射线圈W1和接收线圈W2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围）电动势e1加到线圈W1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈W2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减小，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减小（如图3-25（b）所示），因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。

二、互感型差动变压器式电感传感器

互感型电感传感器是利用互感M 的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。

差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-26所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电势为两者之差，即ey＝e1－e2。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1＝e2，ey＝0；当活动衔铁向上移时，即e1＞e2，ey＞0；当活动衔铁向下移时，即e1＜e2，ey＜0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电动势ey也随之变化，输出特性如图3-26（c）所示。

图3-26 差动变压器式电感传感器

（a）、（b）工作原理；（c）输出特性

值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁心位移的大小，而不能反应移动的极性；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀，线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

图3-27所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。

差动变压器式传感器具有精度高达0.1μm量级，线圈变化范围大（可扩大到±100mm，视结构而定），结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其他压力、振动等参量的测量。

图3-27 差动相敏检波电路的工作原理

三、电感传感器的应用举例

电感传感器中应用较为普遍的是涡流式和差动变压器式两种。

涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量，它可实现非接触式测量，图3-28所示为涡流式转速传感器的工作原理。在轴上开一键槽，靠近轴表面安装一涡流传感器。当轴转动时，传感器与轴表面之间的间隙将变化，经测量电路处理后，可得到与转速成比例的脉冲信号。

图3-28 涡流式转速传感器工作原理

1—被测轴；2—传感器；3—放大处理器

图3-29 液位测量

1—铁芯：2—液罐；3—浮子

差动变压器式传感器常用于测量位移、压力、压差、液位等参数，图3-29所示为测量液位的原理图。