自感式电感传感器的工作原理

自感式电感传感器的结构如图3－1所示。它主要由线圈、铁芯、衔铁及测杆等组成。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化，当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。

图3－1 自感式电感传感器的结构

（a）变隙式；（b）变截面式；（c）螺管式1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—测杆；5—导轨；6—工件

自感式电感传感器根据结构形式不同主要有变隙式、变截面式、螺管式和差动式四种。根据磁路基本知识可知，电感量可由式 （3.1）估算

（3.1）式中 N——线圈匝数；

A——气隙的有效截面积；

μ0——真空磁导率，与空气的磁导率相近；

δ——气隙厚度。

1.变隙式电感传感器

自感线圈结构确定后，N与μ0为常数，由式（3.1）可知，若A为常数时，L＝f（δ），电感L是气隙厚度δ的函数，这种传感器为变隙电感传感器，其结构如图3－1（a）所示，其输出特性如图3－2（a）所示。

图3－2 电感式传感器的输出特性

（a）L－δ特性曲线；（b）L－A特性曲线1—实际输出特性；2—理想输出特性

由于电感量L与气隙厚度δ成反比，故输入／输出是非线性关系，δ越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，保证一定的线性度，变隙式电感传感器只能工作在很小的区域，故只能用于微小位移的测量。

2.变截面式电感传感器

自感线圈结构确定后，N与μ0为常数，由式（3.1）可知，若δ为常数时，L＝f（A），电感L是气隙有效截面积A的函数，这种传感器为变截面式电感传感器，其结构如图3－1（b）所示。对于变截面式电感传感器，理论上电感量L与气隙截面积A成正比，输入／输出呈现线性关系，如图3－2（b）中虚线所示，灵敏度为一常数。但是，由于漏感等原因，变截面式电感传感器在A＝0时，仍有较大的电感，所以其线性区较小，而且灵敏度较低。

3.螺管式电感传感器

螺管式电感传感器的结构如图3－1（c）所示。它主要由一只螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈的衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量与衔铁插入深度成正比。

螺管式电传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低，且衔铁在螺管中间部分工作时，才有希望获得较好的线性关系。因此，螺管式电感传感器适用于测量稍大一点的位移。

4.差动式电感传感器

上述三种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰，如电源电压、频率的变化、温度的变化都使输出产生误差。所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。

（1）结构特点

如果两只完全对称的单线圈传感器合用的是一个活动衔铁，便构成了差动式传感器，如图3－3所示。其特点是两个线圈和铁芯的几何尺寸与材料特性完全相同，线圈的参数如匝数、自感系数、电阻也完全一样。

图3－3 差动式电感传感器的原理

（a）改变气隙厚度的差动结构；（b）改变截面积的差动结构1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—测杆；5—工件

（2）工作原理和特性

在变隙式差动电感传感器中，当衔铁向上或向下移动Δδ后，上下两个线圈的自感量将有一个增大，一个减小，且变化量相同，形成差动形式。

图3－4所示为差动式与单线圈电感传感器非线性比较，从图可见，差动式电感传感器的性能与单线圈自感传感器相比有了许多改善。

①减小了传感器转换特性的非线性程度；

②提高了传感器的灵敏度，差动式电感传感器的灵敏度理论上比单线圈提高了1倍；

③拓展了测量范围，在较大的测量范围内，传感器能保持较好的线性转换特性；

④减小了测量误差，差动结构本身的对称性减少了温度等外界干扰的影响，克服了单线圈的衔铁在初始中间位置承受的电磁吸引力，从而提高了测量精度。