第四章电感式传感器
C形 弹 簧 管
线 圈1
输出
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
当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管 产生变形， 其自由端发生位移，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。
– 工作可靠、寿命长 – 灵敏度高，分辨力高 – 精度高、线性好 – 性能稳定、重复性好第四章电感式传感器
4.1 变磁阻式传感器（自感式）
4.1.1 工作原理
变磁阻式传感器由线圈、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
A1
铁芯
W
L2
A2 第四章电感式传感器
衔铁
L1 A1
W
L2
• 衔铁上移
L
– 切线斜率变大
L
L0＋L
K0
L0
101 0 0 2
• 衔铁下移
L0
– 切线斜率变L0小－L
L
o －K0L010＋1－ 0 0 2－
第四章电感式传感器
与线性度
• 衔铁上移：
LL 0非 线 性 部 分 0 2 0 3
• 衔铁下移：
LL 0非 线 性 部 分－ 0 2 0 3－
• 无论上移或下移，非线性都将增大。
第四章电感式传感器
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。
1
2
3
1
L1
Ro
U s
U o
1—铁 芯 ；
Ro
2—线 圈 ；
L2
3—衔 铁
2
差动变隙式电感传感器
第四章电感式传感器
衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式 （4-10）及式（4-12）表示， 差动传感器电感的总变化
第四章电感式传感器
4.2 差动变压器式传感器 （互感式）
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称 为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制 成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式 传感器。
差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式 等。
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1～100mm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。
式中, Rm为磁路总磁阻。
气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损， 则磁路总磁阻为
RmL 1A 11L 2A 22 20A0
第四章电感式传感器
（4-2）
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
2 0 A0 2
l1
1 A1 l2
0 A0
2 A 2
（4-4）
线圈 铁芯
A2
衔铁
在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与
衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，
引起磁路中磁阻变化，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化，就 能确定衔铁位移量的大小和方向。
第四章电感式传感器
线圈中电感量可由下式确定：
（4-1）
N2
L I Rm
可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
第四章电感式传感器
(4-10) (4-11)
同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有
L
L0
0
1
0
0
2
0
3
（4-12）
L L0
0
1
0
0
L0
0 A0 N 2 2 0
（4-7）
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
LL0
L N20A0 2(0 )
1L0
第四章电感式传感器
0
（4-8）
当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）：
LL 0 LL 0 1 0 0 2 0 3 （4-9）
气隙面积A0的传感器。
目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。
第四章电感式传感器
4.1.2
L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图5-2所示。
L N2 N20A0
L
Rm
2
L0＋L
L0 L0－L
o － ＋
图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性
第四章电感式传感器
4.1.2 输出特性
分析：
当衔铁处于初始位置时，
2
0
3
（4-13）
对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得
L L0 0
第四章电感式传感器
（4-14）
K0
L
L
0
（4-15）
可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相 矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。
第四章电感式传感器
与K 0
L/ L0
2
2
0
单线圈的非线性项（忽略高次项)：
L /
L0
0
由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。
第四章电感式传感器
4.1.4
线圈 铁芯
衔铁
U~ A
膜盒
P
变隙电感式压力传感器结构图
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压力的大小。
第4章 电感式传感器
4.1 变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器
第四章电感式传感器
• 电感式传感器的工作基础：电磁感应
• 即利用线圈电感或互感的改变来实现非 电量测量
被测物理量 （非电量：位移、 电磁感应
振动、压力、
流量、比重）
线圈自感系数L/ 测量电路 互感系数M
电压或 特点：
量ΔL=L1-L2, 具体表达式为
LL 1L22L 0 0 1 0 2 0 4
对上式进行线性处理, 即忽略高次项得
L 2
L0
0
第四章电感式传感器
灵敏度K0为
K0
L
2L
0
比较单线圈式和差动式：
① 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。
3
②
差动式的非线性项(忽略高次项)：
则式（4-3）可写为
Rm
2 0 A0
（4-5）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L N2 N20A0
Rm
2
第四章电感式传感器
（4-6）
L N2 N20A0
Rm
2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁
路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因 此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变