1.3 电感式传感器的工作原理

1.3.1 电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器具有以下特点：

1）结构简单，传感器无活动触点，因此工作可靠、寿命长。

2）灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05％~0.1％。

同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中被广泛采用。但不足的是，它有频率响应较低、不适合快速动态测控等缺点。

1.3.2 自感式传感器

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磁导率都是一定的，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：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧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、变面积型和螺线管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

（1）变间隙型电感式传感器 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（见图1-16）。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0.1~0.5mm。

（2）变面积型电感式传感器 这种传感器的铁心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（见图1-17）。它的灵敏度为常数，线性度也很好。

（3）螺线管插铁型电感式传感器 它由螺线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。

1.3.3 互感式传感器

（差动变压器）

它是一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。用于测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测量。

差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势 e ₁ 和 e ₂ 。如果两个副绕组按反向串联（见图1-18），则它的总输出电压为

u ₂ ＝ u ₂₁ - u ₂₂ ≈ e ₁ - e ₂ （1-24）

当铁心处在中央位置时，由于对称关系， e ₁ ＝ e ₂ ，输出电压 u ₂ 为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是感应电动势 e ₂ ＞ e ₁ ，差动变压器输出电压 u ₂ 不等于零，而巨输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系，并皇V宇形。用适当的测量电路测量，可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个二次侧电压分别整流后，以它们的差作为输出。差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；后者则用于连接高阻抗负载的场合。

图1-19所示分别是互感式传感器类别，其中图1-19a、图b、图c为变气隙型互感式传感器；图1-19d、图e为变面积型互感式传感器；图1-9f为螺线管型互感式传感器。

a）变气隙型互感式传感器 b）变气隙型互感式传感器 c）变气隙型互感式传感器 d）变面积型互感式传感器 e）变面积型互感式传感器 f）螺线管型互感式传感器

1.3.4 电涡流传感器

电涡流传感器能静态和动态地测量被测金属导体距探头表面的距离，具有非接触、高线性度、高分辨率等特点。它是一种非接触式的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化（见图1-20）。

根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生皇涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

前置器中，高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量（见图1-21）。

电涡流传感器的具体功能与原理将在第3章中进行详细的介绍。

1.3.5 压磁式传感器

压磁式传感器是电感式传感器的一种，也称为磁弹性传感器，是一种新型传感器。它的工作原理是建立在磁弹性效应基础之上的，即利用这种传感器将作用力（如弹性应力、残余应力等）的变化转化成传感器导磁体的磁导率变化并输出电信号。压磁式传感器的优点很多，如输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强、便于制造、经济实用，可用在给定参数的自动控制电路中，但测量精度一般，频响较低。近年来，压磁式传感器不仅在自动控制上得到越来越多的应用，而巨在对机械力（弹性应力、残余应力）的无损测量方面，也为人们所重视，并得到相当成功的应用。在生物医学领域对骨科及运动医学的测试也正在应用该类传感器。压磁式传感器是一种有发展前途的传感器。

压磁式传感器是一种有源传感器，它的工作原理是基于材料的压磁效应。所谓压磁效应就是在外力作用下，铁磁材料内部发生应变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁材料的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁材料磁化强度变化的现象，称为压磁效应。

若某一铁磁材料上绕有线圈，在外力的作用下，铁磁材料的磁导率发生变化，则会引起线圈的电感和阻抗变化。当铁磁材料上同时绕有励磁绕组和测量绕组时，磁导率的变化将导致绕组间耦合系数的变化，从而使输出电动势发生变化。通过相应的测量电路，就可以根据输出的量值来衡量外力的作用。

图1-22为压磁式传感器的工作原理。T1为供给压磁元件P的一次绕组励磁电压的降压变压器，T2为外压变压器，Z1和Z2为滤波器，U为整流器，电路A是零电压补偿电路。