1、郑州华信学院 电感式传感器 摘要 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 L 或 互感量 M M 的变化， 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出， 这种装 置称为电感式传感器。 电感式传感器具有结构简单 , , 工作可靠, , 测量精度高, , 零点 稳定, , 输出功率较大等一系列优 点 , , 其主要缺点是灵敏度、 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。 这种传感器能实现信息的 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。电感式传 感器种类很多 , , 本章主要介绍
2、自感式、互感式和电涡流式三 种传感器。 关键词：性能 原理 优/ / 缺点 种类 正文：1 1、电感式传感器 NJNJ 性能说明 电感式传感器最重要的元件（除控制接口单元与输出级以外）是一个 LCLC 振 荡器。决定振 荡频率的元件由一个平行谐振电路组成。 当金属物体进入线圈交变磁场区域时， 谐振电路中的能量减少。 能量的额外 损耗导致 线圈的品质因数降低，从而降低了电流消耗。对于黑色（铁的）及有色 （非铁的） 金属而言， 损失的能量会在金属体内部产生涡电流。 磁铁也会造成能 量损失。由于在非金属体内不能产 生涡电流， 也就不会产生反向磁场， 从而传感 器线圈的品质因素及电流消耗保持不变，所以
3、 非金属体不能被检测。 2 2、工作原理及应用 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用 来测量位移、 振动、压力、流量、重量、力矩和应变等多种物理量。电感式传感 器的核心部分是可变自感或 可变互感， 在被测量转换成线圈自感或互感的变化时， 一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁 体的某些现象。 这类传感器的主要特征是具 有绕组。 自感式电感传感器原理与运用 自感式传感器是由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变 化转换为线圈电 感量变化的传感器， 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 系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变
4、化而引 起的。 当把线圈接入测量电路并接通激励电源时， 就可获得正比于位移输 入量的电压或电流 输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、 寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测 量范围大时分 辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励 电源的频率和幅值稳定性要 求较高； 不适用于高频动态测量。 电感式传感器主 要用于位移测量和可以转换成位移变化 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。常用电感式传 感器有变间隙型、 变面积型和螺管插铁型。 在实际应用中， 这 三种传感器多制成 差动式，以便提
5、高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 变间隙型电 感传 感器（图 2 2）这种传感器的气隙S随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的 灵敏度 和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。S般取在 0.10.10.50.5 毫米之间。 线圈电感量可用公式 L=N2/Rm,L=N2/Rm,计算式中 N N 是线圈匝数， RmRm 为磁路总磁阻。对于变间隙式电感传感器，如忽略磁路铁损，则磁路总磁阻 为 Rm=L1/U1A+L2/U2A+2/U0A,Rm=L1/U1A+L2/U2A+2/U0A,线圈电感值可近似表示为 L=N2UOA/2L=N2UOA/2S 变面积型电感传感器(图 2 2
6、)这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积 (即磁通截面) 随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线 性度也很好。其线圈电感量也 为 L=N2UOA/2L=N2UOA/2S螺管插铁型电感传感器 它由螺 管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其 工作原理基于线圈磁力线泄漏路径 上磁阻的变化。 衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。 这种传感器的量程 大，灵敏度低，结构简单，便于制作。线圈电感量L L 与衔铁进入圈数的长度 lala 的关系可表示为 L=4L=4n2N2/l2lr2+(Um-1)ra22N2/l2lr2+(Um-1)ra2，其中 r r 为线圈平均半径，rara
7、为 衔铁半径，U Um m 为铁心有效磁导率。自感式电感传感器实现了把测量的变化转变 为自感的变化，为测量出自感的变化，同时也为了送入下线电路进行放大和处理， 就要用转换 电路把自感转换为电压或电流的变化。一般可将自感变化转变为电压 (电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路，在 自感式传感器 中一般采用调幅电路，调幅电路主要形式有变压器电桥和交流电桥。 自感式传感器的应用很广 泛，它不仅可直接用于测量位移，还可以用于测量振动、 应变、厚度、压力、流量、液位等非 电量。 3 3、优点和缺点 (1) 优点 结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨力
8、 较高(如在测 量长度时一般可达 0.10.1 卩微米)，示值误差一般为示值范围的 0.1%0.1% 0.5%0.5%，稳定性好。 (2) 缺点 频率响应低，不宜用于快速动态测量。一般来说，电感式传感器的和示值 范 围有关。示 值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。 4 4、电感式传感器的种类 电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，有利用互感原理 的差动变压 器式传感器。此外，还有利用涡流原理的涡流式传感器， 利用压磁原 理的压磁式传感器和利 用互感原理的感应同步等。 (1)(1)自感式电感传感 自感式电感传感器属于电感式传感器的一种。它是利用线圈自感量的变化来 实现测量的，
9、它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢 片或坡莫合金制成，在铁芯 和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。 当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起 磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的 电感量变化，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 自感式电感传感器在测量位移和尺寸领域的应用， 具有代表性的便是电感测 厚仪。通过 将测微螺秆 4 4 调节到给定厚度值，该厚度值可由度盘读出。被测带 2 2 在上下测量滚轮之间通过， 通过杠杆使铁芯上下移动，从而改变线圈电感的变化 则由相应的电桥电路测出，测出带材厚度 的偏差值。 此外变气隙型电感式尺寸传感器
10、、螺管型轴向式电感传感器都可以实现位移 和尺寸的测 量。变气隙型电感式尺寸传感器壳体内两个平弹簧上悬挂着导磁体， 导磁体可以通过微调螺钉 1 1 相对于传感器壳体移动。螺管型轴向式电感传感器， 可换测头通过螺杆拧在测杆上，测杆可 在滚珠导轨上作轴向移动，滚珠有四排， 每排物，尺寸和形状误差都小于 0.6um0.6um。 一般这类型传感器被用做精密量仪的部件， 如高精度的电感比较仪等。可以 作为轴承滚 动体自动分选机的主要测量部件， 用来测量各种滚动体的尺寸和形状， 零件的膨胀、伸长和 应变等。 (2)(2) 变压器式传感器。 变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感的
11、一种磁电动 机构，很像变压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。 这种 传感器多采用差动模式。 (3)(3) 电涡流式传感器 我们知道，通过金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流， 这种电流 的流线在金属体内自行闭合， 通常就称它为电涡流。电涡流的产生必然 要消耗一部分磁场能 量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化， 电涡流式传感器 就是基于这种电涡流效应。这种 传感器不但具有测量范围大、 灵敏度高、抗干扰 能力强、不受油污等介质的影响，结构简单， 安装方便等特点，而且又具有非接 触测量的优点。 后记 随着社会的不断发展，信息技术之间、信息技术和其它技术之间的相互渗透 日益增加， 物联网的兴起将是信息技术高速发展的必然。 而作为物联网技术中的 关键技术之一，传感器 技术也将会在随之而来的信息技术浪潮中展现出它强大的 一面。它的响应速度快，精确度高， 灵敏度高，并且能在特殊环境下连续进行检 测，便于自动记录可与计算机相连，进行数据的自 动运算、分析和处理，可以广 泛的用于各个领域中。 参考文献：传感器与检测技术传感器检测技术与应用
