互感式传感器
互感式传感器根据互感的基本原理，把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化。

变压器式传感器与变压器的区别是：变压器为闭合磁路，而变压器式传感器为开磁路；变压
器初、次级线圈间的互感为常数，而变压器式传感器初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变，
且变压器式传感器有两个次级绕组，两个次级绕组按差动方式工作。

因此，它又被称为差动
变压器式传感器。

差动变压器结构形式较多，有变间隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺
线管式差动变压器，它可以测量1-100mm 的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结
构简单，性能可靠等优点。

1．螺线管式差动变压器
螺线管式差动变压器的基本结构如图2.21所示，它由一个初级线圈、两个次级线圈和
插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。

差动变压器传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布
电容的理想条件下，其等效电路如图 2.22所示，其中对1•U 、1•
I 为初级线圈激励电压与电
流， L l 、R l 为初级线圈电感与电阻，M l 、M 2分别为初级线圈与次级线圈1、2间的互感，
L 21、 L 22和R 21、R 22分别为两个次级线圈的电感和电阻。

图2.21 螺线管式差动变压器 图2.22等效电路 当初级绕组N 1加以激励电压1•
U 时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组中便会产
生感应电势E 21和E 22。

根据变压器原理，传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差，即 •
•••-=-=12122212)(I M M j E E U ω （2.35）
如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两
互感系数21M M =。

根据电磁感应原理，将有2221E E =，因而022212=-=•••E E U ，即
差动变压器输出电压为零。

当衔铁偏离中间位置向上移动时，由于磁阻变化使互感21M M >，即11M M M ∆+=，22M M M ∆-=。

在一定范围内，221M M M ∆=∆=∆，差值M M M ∆=-221，于是，
在负载开路情况下，输出电压为：
•••∆=-=112122)(I M j I M M j U ωω （2.36）
由图2.22可知 1
111L j R U I ω+=•• （2.37） 所以 1
1122L j R U M j U ωω+∆=••
（2.38） 由于在一定的范围内，互感的变化△M 与位移x 成正比，所以2•U 的变化与位移的变化
成正比。

且衔铁上移时，输出对2•U 与1•
U 同相位。

同理，衔铁向下移动时，21M M <，使
输出11122L j R U M j U ωω+∆-=••，输出 2•U 与1•U 相位相反。

实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变
压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。

它的存在使传感器的输出特性曲线不过零
点，造成实际特性与理论特性不完全一致，特性曲线如图2.16所示。

零点残余电压u20产
生的原因主要是传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性
等问题引起的。

零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。

基波的产生主
要是因传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅值
不等、相位不同。

因此，无论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电动势都不能完全抵消。

零
点残余电压一般在几十毫伏以下。

在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量
结果。

图2.23 零点残余电动势
零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。

此值的大
小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。

(1) 采用对称结构
尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。

磁性材料要经过处理，以消除内
部的残余应力，使其性能均匀稳定。

(2) 选用合适的测量电路
例如，采用相敏整流电路，既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小了零点残
余电动势。

(3) 采用补偿线路
在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使
零点残余电动势减小。

2．变间隙式差动变压器传感器
如图2.24所示为变间隙式差动变压器传感器原理图，它具有灵敏度较高的优点，但测
量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。

图2.24 变间隙式差动变压器传感器原理图
由差动变压器的特性可知，差动变压器的输出与初级线圈对两个次级线圈的互感之差
有关。

结构形式不同，互感的计算方法就有所不同。

II 型差动变压器的输出特性为
120δδN N U U ∆-=•• （2.39） 式中，0δ为初始气隙；N 1为初级线圈匝数；N 2为次级线圈匝数；δ∆为衔铁上移量。

式(2.39)表明，输出电压Uo 与衔铁位移δ∆成比例。

式中负号表明δ∆向上为正时，输
出电压与电源电压反相；δ∆向下为负时，两者同相。

II 型差动变压器的灵敏度表达式为
1
020N UN U K δδ=∆= （2.40） 可见，传感器的灵敏度随电源电压U 的增大而提高，随变压比21N N 和初始气隙的增
大而降低。

增加次级匝数2N 与增大激励电压U 将提高灵敏度。

但2N 过大，会使传感器体
积变大，且使零位电压增大；U 过大，易造成传感器发热而影响稳定性，还可能出现磁饱和，
因此常取0.5-8 V ，并使功率限制在1W 以下。