自感式电感传感器的基本工作原理演示
F
220V
自感式电感传感器的基本工作原理演示
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气隙变小，电感变大，电流变小
2.4.1 自感式传感器(包括可变磁阻式和涡流式) 可变磁阻式工作原理
自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和
衔铁由导磁材料制成。
L1
线圈
在铁芯和衔铁之间有气
A1
铁芯 隙，传感器的运动部分与衔
Φm
Wi Rm
式中，Wi为磁动势；Rm为磁阻。
自感：L W 2 Rm
因为气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽
略磁路铁损，则总磁阻近似为：
Rm
2 0 A
A ：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率； ：气隙厚度
电感量计算公式 ：
W：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；
0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。 L W 20 A 2
可知 L f ( , A) ，自感与气隙长度 成
反比，而与空气隙导磁截面积A成正比。
如果保持A不变，则L为的单值函数，可构成变气隙型传感器； 如果保持 不变，使A随位移变化，可构成变截面型传感器。
自感式电感传感器常见的形式
变隙式 变截面式 螺线管式
L W 20 A 2
对变截面型传感器灵敏度为：
差动式电感传感器， 有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)， 则电桥输
Uo
Z 2(Z1 Z2 )
U＝ Z 2Z
U (L1
L2 )
1
2
L1
3 L2
2 1
Z1
Z3＝R
U
Z2
Z4＝R
U0＝U
Z1 Z1＋Z2
－
R
R
R
U o
Ro
U s
U o
Ro
1—铁 芯 ； 2—线 圈 ； 3—衔 铁
交流电桥式测量电路
工作原理
当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，两线圈互感相等： M1=M2
两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压
U2 e2a e2b 0
当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应 的变化，使M1≠M2 两次级绕组的互感电势e2a≠e2b， 输出电压
W
铁相连。当衔铁移动时，气 隙厚度δ发生改变，引起磁
L2
路中磁阻变化，从而导致电
感线圈的电感值变化，因此
只要能测出这种电感量的变
A2
衔铁
化，就能确定衔铁位移量的
大小和方向。
图5.1 变磁阻式传感器结构
当线圈中通以电流i时，产生的磁通 Φm ，其大小与电流
成正比，即：
WΦm Li 式中，W 为线圈匝数；L为比例系数，称为自感，H。 又根据磁路欧姆定律：
压力的大小。
C形 弹 簧 管
线圈1
当被测压力进入C形弹簧管
输 出 时， C形弹簧管产生变形， 其
调机械 零点螺钉
线圈2 衔铁
P
～
变隙式差动电感压力传感器
自由端发生位移，带动与自由端 连接成一体的衔铁运动，使线圈 1和线圈2中的电感发生大小相等
符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电
感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与
被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电
压， 即可得知被测压力的大小。
互感式传感器
▪ 互感式传感器——把被测的非电量变化转换为线圈互 感变化的传感器。
▪ 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。
0
2 0 2
与单线圈式相比，灵敏度提高1倍。
差动变隙式电感传感器的变换电路
把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两 个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z+ΔZ1, Z2=Z－ΔZ2， Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗， ΔZ1, ΔZ2分别是 衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于高Q值的
C ＋U
U
－2
＋U
－2 D
Z1
＋A Z2 U o
－ B
变压器式交流电桥
当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，
Uo
Z Z
U 2
L U L2
当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
Uo
Z Z
U 2
L U L2
可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小
变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂Z1、 Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈 的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压
Uo
Z2 Z1 Z2
U
1U 2
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 Uo 0 ， 电桥平衡。
k dL W 20 dA 2
灵敏度为一常数，L与A成线性关系。
对变气隙型传感器灵敏度为：k
dL
d
W
20 A 2 2
L 1
灵敏度k与气隙长度δ的平方成反比，δ越小，灵敏度越高
。由于k不是常数，故出现非线性误差。为了减小这一误差
，通常规定在较小间隙范围内工作（Δ δ =0.1 δ ~0.2 δ ,
随衔铁的位移而变化。由于 U 是交流电压， 输出指示无法判
断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。
自感式传感器的应用
线圈 铁芯
衔铁
U~ A
膜盒
当压力进入膜盒时，膜盒 的顶端在压力P的作用下产生 与压力P大小成正比的位移， 于是衔铁也发生移动， 从而
P
变隙电感式压力传感器结构图
使气隙发生变化， 流过线圈 的电流也发生相应的变化，电 流表A的指示值就反映了被测
▪ 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。
▪ 结构：有变气隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作 原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是螺线管式 差动变压器.
▪ 优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠
螺管式差动变压器工作原理
１-活动衔铁； ２-导磁外壳； ３-骨架； ４-匝数为W1初级绕组； ５-匝数为W2a的次级绕组； ６-匝数为W2b的次级绕组
U2 e2a e2b 0
电压的大小反 映了被测位移 的大小，输出 电压的极性能 反映位移的方 向。
δ=0.1~0.5mm ）。
L
L0＋L
L0 L0－L
o － ＋
为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变 隙式电感传感器。
衔铁移动Δδ：差动传感器电感的总变化量为 ：
LZ
W
2 0
20
A
W
2 0
20
A
பைடு நூலகம்
2L0
LZ
2L0
0
0
2
0
灵敏度KZ为
KZ
y x
2L0 0
2L0 2 W 2 0 A0 2K