第二章
电感传感器
电子信息及电气工程系
1、定义,
电感传感器是将被测量转换为线圈的自感
或互感的变化来测量的装置。
2、特点,
结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高
（ 0.01μm),灵敏 (几百 mV/1mm)
线性较好 (0.05～ 0.1%），稳定，抗干扰能力
强。
但频率响应低，不宜进行快速动态测量。
2.1 概述
一、简单自感传感器
工作原理
1、结构,
由线圈、铁心
和衔铁组成。
2.2 自感传感器
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Le
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3、线圈自感电动势,
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一般导磁体的磁阻与空气隙
的磁阻相比很小，可忽略。
空气隙相对截面积
空气隙
厚度
可变磁阻式
自感型 -- 可变磁阻式位移传感器
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2
0
2 S w L ?
( a) ( b
)
( c) ( d )
（ a ） 可变导磁面积型；（ b ） 差动型；（ c ） 单螺管线圈型；（ d ） 双螺管线圈差动
灵敏度 线性 行程 制造
变 δ 高 差 小 难
变 S 较高 好 大 较易
螺管式 低 差 大 易
二、自感传感器类型
分三个类型,
)( ?fL ?
)( SfL ?
三、差动自感传感器
1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相
同的自感传感器组成，衔铁处
于中间位置时,U0=0
2、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一
倍，线性好，精度及特性变好
,电磁吸力对测量力的影响相
互抵消。
四、测量电路 （ L→I/V 的幅值、频率、相位的变化）
基本测量电路通常都采用交流桥路
四、测量电路
基本测量电路通常都采用交流桥路
1、一般电桥
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四、测量电路
基本测量电路通常
都采用交流桥路
四、测量电路
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如衔铁上移,
δ 1↓→ωL 1↑→ Z 1 =Z+ΔZ
δ 2↑→ωL 2↓→ Z 2 =Z-ΔZ
2、变压器电桥
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如衔铁下移,Z1 =Z-ΔZ Z 2 =Z+ΔZ 相差 1800
变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。
结论,输出 U0的大小与位移的大小相关；
输出 U0的方向与位移方向相关，可相差 1800
但交流表只能反映输入的大小，无法辩向。
残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次
谐波等原因造成 。
3、相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向
在中间位置时,Z = Z1 = Z2 输出为零
如衔铁上移,Z1 =Z+ΔZ Z 2 =Z-ΔZ
当电源上正下负时,VR1< VR2 输出下正上负
当电源上负下正时,VR1 > VR2 输出仍下正上负
所以：当衔铁上移时，输出下正上负，其大小与位移相关
同理：如衔铁下移,Z1 =Z-ΔZ Z 2 =Z+ΔZ
当电源上正下负时,VR1 > VR2 输出上正下负
当电源上负下正时,VR1 < VR2 输出仍上正下负
所以：当衔铁下移时，输出上正下负，其大小与位
移相关。
4、特点
简单，输出功率大，精度较高，但输出与激励电
源频率相关，要求有稳频电源。
5、应用
测位移。派生量：压力、流量、厚度、震动等,
量程 <100mm
一、概念,
差动变压器是互感传感器，是把被测
位转换为传感器线圈的互感的变化量，
由于常做成差动的，故称差动变压器。
二、工作原理
主要由一个线框和一个铁心组成。一
次线圈一组，二次线圈两组。
2.3 差动变压器
P
P
S1
S2
P
S1
P
S2
(a)三段式 (b)二段式
Es2
Es1
Ep
Es
x -x
当铁芯在平衡位置时,U21 = U22
空载时的等效电路
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中间位置时,M1 = M2 输出为零
如铁芯上移,M1 =M+ΔM M 2 = M-ΔM
如铁芯下移,M1 = M-ΔM M 2 =M+ΔM
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与 U21极性相同
与 U21极性相反
三、特性
1、灵敏度,一般大于 50mV/mm/V
提高灵敏度的措施,
提高 Q值，增大尺寸，长度：直径 =1.2:2.0
增大铁芯直径，采用导磁率高的材料；
提高励磁电压。
2、频率特性,
激磁频率一般取,10～ 50KHZ,
也可在 5～ 400KHZ内。
但频率太高引起温度及频率误差增大
频率太低引起铁损及偶合电容影响增大
矛盾,f↑→φ↑→U 2↑
f↑→ωL↑→U 2↓
4、温度特性
温度误差主要受机械部分的热胀冷缩
和一次线圈中的电阻的温度系数影响。
5,零点残余电压及其消除方法
零点残余电压主要由结构的不对称、和
高谐波等引起。
采用相敏整流电路使输出同时反映铁
芯移动的大小与方向，并大大减少零点残余
电压。也可附加调零电路解决。
取最佳值
差动变压器的输出特性 加相敏整流的
输出特性
一、涡流的概念
涡流 — 成块的金属置于变化着的磁
场中或者在磁场中运动时，金属体内都
要产生感应电动势形成电流，这种电流
在金属体内是自己闭合的，称为涡流。
其大小与（ μ, ρ, ω, δ, x）有关
。
2.4 涡流传感器
二、涡流传感器的特点
可进行非接触测量，动态响应好，灵
敏度高。主要测量位移、厚度、振动以
及探伤等，应用极为广泛。
三、分类
高频反射涡流传感器
低频透射传感器
五、高频反射涡流传感器
1、基本工作原理
i→Φ i→i e →Φ e→ 原线圈 L变化
当传感器与被测导体靠近时，传感器的
等效阻抗 Z将发生变化,Z可表示为,
Z=R+rω2 M2 /（ r2 + ω2 l 2 ）
+jω[L-lω2M 2/（ r2+ω2l 2） ]
U
R
L
M
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等效电路
分析,
R`—— rω2 M2 /（ r2 + ω2 l 2 ）反射电阻
L`—— (L - lω2M 2)/（ r2+ω2l 2）反射电感
受涡流影响，电阻增加，电感变化,Q下降
可用函数式表示如下,
2、单值函数关系
),,,,( xfZ ?????
)( xfZ ?
3、结构形式
主要是一个安装在框架上的线圈，线圈
内可绕成一个扁平圆形粘贴于框架上；也可
在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成
一个线圈。
4、测量方法
1）调频法
震
荡
器
f 计
f-V
电压表
f
x
CxL
f
)(2
1
?
?
2）调幅法
5、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素
1）并非真正的单值函数
2）被测物体形状对测量的影响（ D/d>3.5）
3）材质的影响
U0
石英
震荡器
放大 检波
指示
x
渗透深度与励磁电流的频率相关
六、低频透射涡流传感器
U→ i → Φi →i e →Φ e→ Φ → E
下面 线圈的感应电压 E主要与 M的厚度相关
还与 U的幅值、频率以及两线圈的匝数以及
相对位置相关。
ρ小，选 f 500HZ
ρ大，选 f 2kHZ
七、涡流传感器的应用特点,
为非接触测量；线性度好,分辨率好 ;
大量程,重 0.01?m-40mm;体积小,重量轻,驱动功率小 ;
灵敏度好,0.1-1V/mm,
利用,
x 可测位移，派生量为厚度，震幅，转速，热膨胀系数
钢水的液位；
ρ可进行材质判别，非磁性材料；
? 可测量应力，硬度；
? ρ x综合影响可进行金属的探伤。
四 电容式传感器
? 将被测量的量转化为电容量变化的装置,
? 两平行极板组成的电容器,它的电容量为,
?
?? AC 0?
+
+
+
传感器及应用技术
?
A
?
? 应用举例：连
续油管的椭圆
度测量
Eddy
Sensor
Coiled
Tube
Reference
Circle
涡流 式
说明,
(1) 连续油管；
(2) 椭圆度；
(3) 在线测量系统
。
四 电容式传感器
传感器及应用技术
本章结束
作业
1 试论述差动电感传感器的特点并比
较其常用的测量电路的特点。
2 思考：设计一个用接近开关进行测
速的 相关电路。
电感传感器
电子信息及电气工程系
1、定义,
电感传感器是将被测量转换为线圈的自感
或互感的变化来测量的装置。
2、特点,
结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高
（ 0.01μm),灵敏 (几百 mV/1mm)
线性较好 (0.05～ 0.1%），稳定，抗干扰能力
强。
但频率响应低，不宜进行快速动态测量。
2.1 概述
一、简单自感传感器
工作原理
1、结构,
由线圈、铁心
和衔铁组成。
2.2 自感传感器
t
I
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IL
I
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2、线圈自感电动势,
3、线圈自感电动势,
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一般导磁体的磁阻与空气隙
的磁阻相比很小，可忽略。
空气隙相对截面积
空气隙
厚度
可变磁阻式
自感型 -- 可变磁阻式位移传感器
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2
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( a) ( b
)
( c) ( d )
（ a ） 可变导磁面积型；（ b ） 差动型；（ c ） 单螺管线圈型；（ d ） 双螺管线圈差动
灵敏度 线性 行程 制造
变 δ 高 差 小 难
变 S 较高 好 大 较易
螺管式 低 差 大 易
二、自感传感器类型
分三个类型,
)( ?fL ?
)( SfL ?
三、差动自感传感器
1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相
同的自感传感器组成，衔铁处
于中间位置时,U0=0
2、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一
倍，线性好，精度及特性变好
,电磁吸力对测量力的影响相
互抵消。
四、测量电路 （ L→I/V 的幅值、频率、相位的变化）
基本测量电路通常都采用交流桥路
四、测量电路
基本测量电路通常都采用交流桥路
1、一般电桥
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? Z1 =Z+ΔZ
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四、测量电路
基本测量电路通常
都采用交流桥路
四、测量电路
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如衔铁上移,
δ 1↓→ωL 1↑→ Z 1 =Z+ΔZ
δ 2↑→ωL 2↓→ Z 2 =Z-ΔZ
2、变压器电桥
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如衔铁下移,Z1 =Z-ΔZ Z 2 =Z+ΔZ 相差 1800
变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。
结论,输出 U0的大小与位移的大小相关；
输出 U0的方向与位移方向相关，可相差 1800
但交流表只能反映输入的大小，无法辩向。
残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次
谐波等原因造成 。
3、相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向
在中间位置时,Z = Z1 = Z2 输出为零
如衔铁上移,Z1 =Z+ΔZ Z 2 =Z-ΔZ
当电源上正下负时,VR1< VR2 输出下正上负
当电源上负下正时,VR1 > VR2 输出仍下正上负
所以：当衔铁上移时，输出下正上负，其大小与位移相关
同理：如衔铁下移,Z1 =Z-ΔZ Z 2 =Z+ΔZ
当电源上正下负时,VR1 > VR2 输出上正下负
当电源上负下正时,VR1 < VR2 输出仍上正下负
所以：当衔铁下移时，输出上正下负，其大小与位
移相关。
4、特点
简单，输出功率大，精度较高，但输出与激励电
源频率相关，要求有稳频电源。
5、应用
测位移。派生量：压力、流量、厚度、震动等,
量程 <100mm
一、概念,
差动变压器是互感传感器，是把被测
位转换为传感器线圈的互感的变化量，
由于常做成差动的，故称差动变压器。
二、工作原理
主要由一个线框和一个铁心组成。一
次线圈一组，二次线圈两组。
2.3 差动变压器
P
P
S1
S2
P
S1
P
S2
(a)三段式 (b)二段式
Es2
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Ep
Es
x -x
当铁芯在平衡位置时,U21 = U22
空载时的等效电路
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中间位置时,M1 = M2 输出为零
如铁芯上移,M1 =M+ΔM M 2 = M-ΔM
如铁芯下移,M1 = M-ΔM M 2 =M+ΔM
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与 U21极性相同
与 U21极性相反
三、特性
1、灵敏度,一般大于 50mV/mm/V
提高灵敏度的措施,
提高 Q值，增大尺寸，长度：直径 =1.2:2.0
增大铁芯直径，采用导磁率高的材料；
提高励磁电压。
2、频率特性,
激磁频率一般取,10～ 50KHZ,
也可在 5～ 400KHZ内。
但频率太高引起温度及频率误差增大
频率太低引起铁损及偶合电容影响增大
矛盾,f↑→φ↑→U 2↑
f↑→ωL↑→U 2↓
4、温度特性
温度误差主要受机械部分的热胀冷缩
和一次线圈中的电阻的温度系数影响。
5,零点残余电压及其消除方法
零点残余电压主要由结构的不对称、和
高谐波等引起。
采用相敏整流电路使输出同时反映铁
芯移动的大小与方向，并大大减少零点残余
电压。也可附加调零电路解决。
取最佳值
差动变压器的输出特性 加相敏整流的
输出特性
一、涡流的概念
涡流 — 成块的金属置于变化着的磁
场中或者在磁场中运动时，金属体内都
要产生感应电动势形成电流，这种电流
在金属体内是自己闭合的，称为涡流。
其大小与（ μ, ρ, ω, δ, x）有关
。
2.4 涡流传感器
二、涡流传感器的特点
可进行非接触测量，动态响应好，灵
敏度高。主要测量位移、厚度、振动以
及探伤等，应用极为广泛。
三、分类
高频反射涡流传感器
低频透射传感器
五、高频反射涡流传感器
1、基本工作原理
i→Φ i→i e →Φ e→ 原线圈 L变化
当传感器与被测导体靠近时，传感器的
等效阻抗 Z将发生变化,Z可表示为,
Z=R+rω2 M2 /（ r2 + ω2 l 2 ）
+jω[L-lω2M 2/（ r2+ω2l 2） ]
U
R
L
M
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等效电路
分析,
R`—— rω2 M2 /（ r2 + ω2 l 2 ）反射电阻
L`—— (L - lω2M 2)/（ r2+ω2l 2）反射电感
受涡流影响，电阻增加，电感变化,Q下降
可用函数式表示如下,
2、单值函数关系
),,,,( xfZ ?????
)( xfZ ?
3、结构形式
主要是一个安装在框架上的线圈，线圈
内可绕成一个扁平圆形粘贴于框架上；也可
在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成
一个线圈。
4、测量方法
1）调频法
震
荡
器
f 计
f-V
电压表
f
x
CxL
f
)(2
1
?
?
2）调幅法
5、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素
1）并非真正的单值函数
2）被测物体形状对测量的影响（ D/d>3.5）
3）材质的影响
U0
石英
震荡器
放大 检波
指示
x
渗透深度与励磁电流的频率相关
六、低频透射涡流传感器
U→ i → Φi →i e →Φ e→ Φ → E
下面 线圈的感应电压 E主要与 M的厚度相关
还与 U的幅值、频率以及两线圈的匝数以及
相对位置相关。
ρ小，选 f 500HZ
ρ大，选 f 2kHZ
七、涡流传感器的应用特点,
为非接触测量；线性度好,分辨率好 ;
大量程,重 0.01?m-40mm;体积小,重量轻,驱动功率小 ;
灵敏度好,0.1-1V/mm,
利用,
x 可测位移，派生量为厚度，震幅，转速，热膨胀系数
钢水的液位；
ρ可进行材质判别，非磁性材料；
? 可测量应力，硬度；
? ρ x综合影响可进行金属的探伤。
四 电容式传感器
? 将被测量的量转化为电容量变化的装置,
? 两平行极板组成的电容器,它的电容量为,
?
?? AC 0?
+
+
+
传感器及应用技术
?
A
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? 应用举例：连
续油管的椭圆
度测量
Eddy
Sensor
Coiled
Tube
Reference
Circle
涡流 式
说明,
(1) 连续油管；
(2) 椭圆度；
(3) 在线测量系统
。
四 电容式传感器
传感器及应用技术
本章结束
作业
1 试论述差动电感传感器的特点并比
较其常用的测量电路的特点。
2 思考：设计一个用接近开关进行测
速的 相关电路。
