电感式传感器

物理学术语

电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。

装置简介

电感式传感器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或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。

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。

电感式传感器种类很多，常见的有自感式传感器，互感式传感器和电涡流式传感器三种。

工作原理

电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。

变磁阻式传感器

当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通Φ也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势e，这种现象称之为自感。产生的感应电势称为自感电势。变磁阻式传感器的结构如图1所示。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，气隙厚度为δ，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。

特点：变磁阻式传感器具有很高的灵敏度，这样对待测信号的放大倍数要求低。但是受气隙δ宽度的影响，该类传感器的测量范围很小。

可变磁阻式传感器自感

自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积S0成正比。

灵敏度S与气隙长度δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度S愈高。为了减小非线性误差，在实际应用中，一般取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1 mm。

差动变压器式传感器

互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。

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芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

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较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。变隙式传感器的结构原理如图2所示。

图2中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b，分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。

电涡流式传感器

金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体转圈，这种现象称为涡流效应。电涡流式传感器结构示意图如图3所示。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。

装置分类

电感式传感器分为 3 种类型：改变气隙厚度 δ 的自感传感器，即变间隙式电感传感；改变气隙截面 S 的自感传感器，即变截面式电感传感器；同时改变气隙厚度 δ 和气隙截面 S 的自感传感器，即螺管式电感传感器。

变间隙型电感传感器

这种传感器的气隙 δ 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． δ 一般取在 0． 1 ～ 0． 5 毫米之间。

改变面积型电感传感器

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。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。

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。

装置应用

传感器作为采集和获取信息的工具，对系统的自动化检测和质量监测起着重要作用。电感式传感器是一种互感式电感传感器，它可将微小的机械量，如位移、振动、压力造成的长度、内径、外径、不平行度、不垂直度、偏心、椭圆度等非电量物理量的几何变化转换为电信号的微小变化，转化为电参数进行测量，是一种灵敏度较高的传感器，具有结构简单可靠、输出功率大、抗阻抗能力强、对工作环境要求不高、稳定性好等一系列优点，因而被广泛应用于各种工程物理量检测与自动控制系统中。

比如:用电感式位移传感器提高轴承制造的精度；用电感测微仪测量微小精密尺寸的变化；实现液压阀开口位置的精准测量；用于设计智能纺织品的柔性传感器；用电感传感器原理的孔径锥度误差测量仪；用电感传感器检测润滑油中磨粒；用电感传感器监测吊具导向轮等等。

电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等。

电感式位移传感器利用导线制成特定的线圈绕组，根据其位移量的变化而使绕组线圈的白感量或是互感量发生变化来进行位移测量，因此根据其转换原理电感式位移传感器可分为自感型和互感型两大类。

电感式位移传感器是一种机电转换装置，在现代工业生产科科学技术上，尤其是在白动控制系统、机械加工与测量行业中应用十分广泛。

优缺点

电感式传感器的主要优点是：

(1) 结构简单，可靠；

(2) 灵敏度高，最高分辨力达0.1μm ；

(3) 测量精确度高，输出线性度可达±0.1% ；

(4) 输出功率较大，在某些情况下可不经放大，直接接二次仪表。

其缺点是：

(1) 传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量；

(2) 对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高;

(3) 传感器分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力低，反之则高。