石大传感器与检测技术课件08电感式传感器

2026/7/191

电感式传感器

本章学习自感式传感器和差动变压器的结构、工作原理、测量电路以及他们的应用;学习电涡流传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性参数及应用。2026/7/192电感式传感器的工作原理：它是利用电磁感应原理，通过线圈自感或互感的变化，实现非电量电测的一种装置。用途及特征：常用来测量位移、振动、转速、厚度等物理量参数；主要特征是具有线圈绕组。优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。分类：按工作原理分为自感式、互感式和电涡流式三种。2026/7/193自感式传感器变间隙型自感传感器变面积型电感传感器螺管型电感传感器测量电路差动变压器结构原理与等效电路误差因素分析测量电路应用电涡流式传感器2026/7/194类型：电感式传感器自感型互感型变面积型电传感器螺线管型电传感器变间隙型电传感器2026/7/195第一节自感式电感传感器

自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。可分为变间隙型、变面积型和螺管型。其中,变间隙型、变面积型由匝数为N的线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，根据定义，线圈的电感为式中RM——磁阻，它包括铁芯磁阻和空气隙的磁阻，即2026/7/196

——铁磁材料各段的磁阻之和，当铁芯一定时，其值为一定；

li——各段铁芯长度；

mi——各段铁芯的磁导率；

Si——各段铁芯的截面积；

Rd

——空气隙的磁阻，Rd=2d/m0S。2026/7/197即可得电感为因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有

由上式可知，当线圈及铁芯一定时，N为常数，如果改变d或S时，L值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理做成的。最常用的是变气隙长度d的电感传感器。由于改变d和S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器。2026/7/198第一节自感式电感传感器

自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。可分为变间隙型、变面积型。变间隙型、变面积型由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。1(a)变间隙型δ23x(b)变面积型线圈1，衔铁3和铁芯22026/7/199电感量计算公式

：

请分析电感量L与气隙厚度

及气隙的有效截面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；

：气隙厚度。

2026/7/1910变间隙式自感传感器工作原理动画演示变间隙式自感传感器2026/7/1911若使得衔铁向上移动取为-Dd，得此时电感为则电感增量为线圈电感的相对变化量为若Dd／d0＜＜l，则可得2026/7/1912

同理可得当衔铁向下移动时的DL／L0为由上式可见，线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当Δd很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系（这里未考虑漏磁的影响）。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。电感L与气隙长度d的关系如图所示。它是一条双曲线，所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般取Dd/d0=0.1～0.2。2026/7/1913变间隙式自感传感器工作原理动画演示变间隙式自感传感器2026/7/1914变面积式自感传感器工作原理动画演示变面积式自感传感器

在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其截面积为Sδ0=ab。当衔铁随被测量上、下移动时，2026/7/1915

则线圈电感L为线圈电感L与面积S（或x）呈线性关系，其灵敏度k为一常数，即正确选择线圈匝数、铁芯尺寸，可提高灵敏度，但是采用差动式结构更好。2026/7/1916电感量计算公式

：

分析电感量L与气隙厚度

及气隙的有效截面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；

：气隙厚度。

2026/7/1917L=f（S）L=f（δ）δLSL=f(δ)为非线性关系。当δ

＝0时，δ为∞，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在δ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特性曲线为一直线。2026/7/1918rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。单线圈螺管型2026/7/1919螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）螺管式自感传感器的特点：

①结构简单，制造装配容易；

②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但测量范围广；

③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；

④因螺管可以做的较长，故宜于测量较大位移；

⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。2026/7/1920差动电感传感器2lcΔlc2l线圈Ⅱ线圈Ⅰrx(c)

在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。

2026/7/19212026/7/1922差动式电感传感器的特性

从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。

2026/7/1923自感式电感传感器的测量电路

测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。2026/7/1924ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCEZ1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原理图I2026/7/1925第二节互感式传感器（差动变压器）一、工作原理传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感生电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。2026/7/1926

活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，即e1<e2，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如图所示。2026/7/19270副Ⅰe2e2e21e22x副Ⅱ原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。

2026/7/1928二、差动变压器的测量电路

差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。2026/7/1929全波整流电路和波形图衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在f点为“＋”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“–”，则电流路径是ehdcgf。USCg～e1RRcabhfdeUSC=eab＋ecd。

2026/7/1930以位移测量为例：电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、流量、厚度等各种物理量。三、电感式传感器的应用2026/7/1931第三节电涡流传感器

本章学习电涡流传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性参数及应用。2026/7/1932第一节电涡流传感器工作原理

当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。电涡流效应演示

2026/7/1933电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到

干净、高效的电磁炉2026/7/1934集肤效应

集肤效应与激励源频率f、工件的电导率

、磁导率

等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。

当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。

2026/7/1935等效阻抗分析

检测深度与激励源频率有何关系？

电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z与激励电流频率、导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数以及线圈到被测导体间的距离有关，其函数表达式为：

Z=R+jωL=f（f、

、

、r、x）

如果控制上式中的i1、f、

、

、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？

2026/7/1936等效阻抗与非电量的测量

检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。

间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、

、

、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。

多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率

有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率

有关的材料型号、表面硬度等参数。

2026/7/1937电磁炉内部的励磁线圈2026/7/1938电磁炉的工作原理

高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。2026/7/1939利用传感器线圈与被测金属导体间磁性耦合程度的变化来测量。金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为"涡电流"或"涡流"。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h，金属板与线圈的距离δ，激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。高频反射式涡流传感器2026/7/1940

低频透射式涡流传感器的工作原理如右图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。低频透射式涡流传感器2026/7/1941电涡流传感器结构及特性

电涡流探头外形交变磁场2026/7/1942电涡流探头内部结构

1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

2026/7/1943CZF-1系列传感器的性能

分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？

2026/7/1944谐振法

调幅式电路调频式电路

测量电路

2026/7/1945

调幅式（AM）电路

石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。2026/7/1946调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）

当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将

f转换为电压

Uo。

2026/7/1947并联谐振回路的谐振频率

设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f。2026/7/1948

电涡流式传感器的应用1、厚度检测2、位移测量3、振幅测量4、转速测量其他用途2026/7/1949厚度检测2026/7/1950位移测量

电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。2026/7/1951位移测量仪

位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头2026/7/1952V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式2026/7/1953四线制电涡流位移传感器的接线说明

该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。2026/7/1954电涡流位移传感器的应用

电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。即使要用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。

2026/7/1955接近开关简介

接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。

接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。

2026/7/1956接近开关外形2026/7/1957简介常用的接近开关分类常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关，以下仅以电感接近开关称呼之）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等。

接近开关的特点

接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；缺点是触点容量较小、输出短路时易烧毁。接近开关的主要性能指标：额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。

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