电感式传感器是将被测量的变化转换成电感的变化，再将电感的变化转成电量输出的传感器。电感分为自感和互感两大类，所以电感式传感器也分为自感式和互感式（差动变压器式）两大类。

电感传感器

1.自感式传感器

（1）工作原理

自感式传感器一般由铁心、衔铁和线圈三部分构成，如图5-2所示。根据以前所学的电工学知识可知，线圈的自感量L为

                                                   （5-1） 

图5-2    闭合磁路式自感式传感器原理结构

                        1-线圈 ；2-铁芯； 3-衔铁

假设衔铁和铁心之间的气隙很小，在不考虑磁路的铁损且铁心磁阻远小于气隙磁阻的情况下，磁路的总磁阻为

                                     （5-2）

式中：

       A——气隙的有效截面积；δ——气隙厚度。

将式（5-2）代入式（5-1）得到线圈的自感量为

                                        （5-3）

自感量L与N、A、δ这三个变量有关。我们可以把自感式传感器从原理上分成变气隙式和变面积式两大类，实际使用时还有一类是螺线管式。

              （a）变气隙式     （b）变面积式   （c）螺线管式

（2）变气隙式电感传感器

当线圈的匝数N确定之后，并且A保持不变的情况下，自感量L是气隙厚度的函数，并且自感量L与气隙厚度的反比关系，所以这种传感器的输入输出为非线性关系。 

实际的输出特性只有在很小的一段区域接近线性，故变气隙式电感传感器只能测量微小位移。

变气隙式电感传感器的δ越小，灵敏度越高。           图5-3   变气隙式电感传感器的输出特性 

（3）变截面式电感传感器   

      变截面式电感传感器的电感量L与气隙有效截面积

      A的正比关系，变截面式电感传感器的输入输出的

      关系是线性的。但是由于漏感等原因，实际的输出

     特性曲线的线性区较小，而且当A=0时，L并不为零，

     还是存在较大的漏感。

图5- 4   变截面式电感传感器的输出特性

1-实际输出特性        2-理想输出特性

（4）螺线管式电感传感器

螺线管式是一种特殊的自感传感器。单线圈螺线管式电感传感器，其主要元件是一个螺线管和一根柱形衔铁。传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管电感的变化。

这种传感器结构简单，制作容易，但是灵敏度稍低，且衔铁在螺线管中间部分工作时，才有希望获得较好的线性关系。螺线管电感传感器适用于测量稍大一点的位移（毫米级）。

（5）差动电感传感器

                 当活动衔铁位于中间位置，

            当活动衔铁偏离中间位置时，两个气隙一个增加，

            一个减小，采用差动输出，导致自感的变化量为原

           来的两倍，灵敏度比原来提高一倍。 

图5-5  差动变气隙式电感传感器结构

1-差动线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-测杆  5-工件

图5-6   差动变气隙式电感传感器的输出特性

1、2-单个变气隙式电感传感器的输出特性  3-差动变气隙式电感传感器的输出特性 

采用差动形式还可以改善线性度，并且对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，从而减小了测量误差。

（6）测量转换电路——交流电桥

        （a）电阻平衡臂电桥                  （b）变压器电桥

图5-7    交流电桥

变压器电桥的输出电压为：

            （5-4）

衔铁位于中间位置时，Z₁=Z₂=Z，电桥平衡，Uo=0。当衔铁下移时，Z₁=Z-ΔZ，Z₂=Z+ΔZ，则

                                                         （5-5）

当衔铁上移

                                                  （5-6）

衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Uo大小相等、方向相反。即相位互差180°，可以反映衔铁移动的方向。

（7）相敏检波电路

实际使用时，通常将交流电桥中先引入相敏检波电路，将交流输出电压转换成能判别相位的直流电压输出，再使用直流电压表检测输出电压，这样的直流输出电压的极性就可以反映衔铁的移动方向。

                  （a）非相敏检波            (b) 相敏检波

图5-8    输出特性曲线

                   1-理想特性曲线    2-实际特性曲线

2.差动变压器

     直流差动变压器式角位移传感器              TD系列线性差动变压器式位移传感器

    当一次线圈加入激励电源后，其二次线圈会产生感应

    电动势。当衔铁处于中间位置，两个线圈的互感相等

    两个二次绕组反向串联，因而差动变压器输出电压为

    零。当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，互感系

    数不等，两个线圈的电感一个增加，一个减少，形成

    差动式形式，因此M1、 M2不再相等，经测量电路转

    换成一定的输出电压值。衔铁移动方向不同，输出电 

   压的相位也不同。

图5-9   差动变压器式传感器结构                

1-一次绕组  2-二次绕组  3-衔铁   4-顶杆

         图5-10  差动变压器原理图         图5-11  差动变压器的输出特性

1-理想输出特性  ； 2-实际输出特性

采用相敏检波电路和差动整流电路辨别被测物体的移动方向。

差分整流电路是将差动变压器的两个二级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。差分整流电路一般分成电压输出型和电流输出型，这两大类均可以分成半波输出和全波输出两类。

                           （5-7）

图 5-12   差分整流电路

当衔铁在中间位置时， ，所以；当衔铁在向上移动时，因为

则；而当衔铁在向下移动时，，则有.的正负表示衔铁位

移的方向。

            实训5-1  涡流传感器的位移特性实验

1. 实验目的

（1）了解涡流式传感器的基本结构。

（2）掌握涡流式传感器的工作原理及性能。

2. 实验所用单元

涡流式传感器（如图5-15所示）、螺旋测微器和铁片、涡流式传感器转换电路板（如图5-16所示）、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。

3、实验原理及电路

  通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，引起线圈的电感发生变化。而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。实验电路如图5-47所示，采用电容式三点式振荡器，用于产生高频电流，电流的大小与电感L₂（即涡流感应头中的线圈）的大小有关，滤波后输出直流信号。

4. 实验步骤

（1）将涡流式传感器装在位移台架上，并与转换电路板连接起来。

（2）将测微器测杆与铁片连接在一起。

（3）接通电源，适当调节测微器的高度，使铁片与涡流感应头刚刚接触，记下此时测微器读数和输出电压，并从此点开始向上移动铁片，将位移量X与输出电压U_O记入下表5-1中。建议每隔0.2mm读一次数值，共读取20组数据。

                    表 5-1                                                                                     

5. 实验报告

（1）根据表5-1的数据，画出涡流式传感器的输入/输出特性曲线，并求出拟合曲线的方程。

（2）涡流式传感器的量程与哪些因素有关？

6. 实验连线图

    实验连线图可以参考图5-48所示。