电感式传感器 - 实践

一、电感式传感器基础知识

一个基础物理规律：变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场又会反过来在导线中 “感应” 出电流（法拉第电磁感应定律）

1、自感：导线 “自己的磁场” 对 “自己的电流” 的 “阻碍”

当导体（如线圈）中通过的电流发生变化时（比如电流增大、减小或方向改变），

这个 “变化的磁场” 会穿过导体自身（尤其是线圈，多匝导线能让磁场更集中穿过），导体自身会感应出一个 “反抗磁场变化的电动势”，称为自感电动势L, 阻碍电流的变化， 所以如果切断电源，电流为0，但是阻碍电流为0，于是电灯泡不会突然不亮

2、互感的核心是两个相邻导体（比如线圈）之间，借助 “变化的磁场” 实现的 “隔空电力感应”

闭合的（比如接了灯泡、电池），这个 “力” 就会推着线圈里的自由电子定向移动，形成 “感应电流”—— 到这里，就实现了 “从原线圈到副线圈的隔空传电”。就是—— 简单说，就是一个导体的电流变化产生磁场，这个磁场再让另一个导体感应出电流，全程不需要电线直接连接，如果副线圈的电路

互感和自感_哔哩哔哩_bilibili

举例变压器

差动变压器由初级线圈、次级线圈和可移动的铁芯组成，由于差动变压器常采用两个次级线圈组成差动式，将两个次级线圈反相串联，使输出电压为两个次级线圈感应电动势之差，因此被称为差动变压器式传感器，属于互感传感器的一种。

普通串联是 “正接”（副线圈 1 的 “头” 接副线圈 2 的 “尾”），电压会 “叠加”（U 总 = U₂₁+U₂₂）；而 “反相串联” 是 “反接”（副线圈 1 的 “头” 接副线圈 2 的 “头”，或 “尾” 接 “尾”），电压会 “抵消”（U 总 = U₂₁-U₂₂）—— 这就是 “差动” 的由来（取差值）。

什么是 “变压器” ？工作原理 轻松易懂_哔哩哔哩_bilibili

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手机充电器工作步骤 220 交流变成 5v 直流

1. 整流：220V 交流电（50HZ 低频交流电） → 脉动直流电（先掰直方向）；
2. 变压：脉动直流电→高频交流电→高频变压器降压→低压脉动直流电（核心降压，靠互感）；
3. 稳压：低压脉动直流电→滤波 + 稳压→5V 稳定直流电（最后熨平波动）。

不可以直接变成高频交流电？ 或者先降压再整流？

对比项	工频变压器（老式充电器）	高频变压器（现在的薄款充电器）
工作频率	50Hz（低频）	几十 kHz~ 几百 kHz（高频）
铁芯大小	大（厚硅钢片）	小（薄硅钢片 /ferrite 磁芯）
线圈匝数	多（几百匝）	少（几十匝）
整体体积	大、笨重（像砖块）	小、轻便（像硬币）
能量效率	低（约 80%）	高（约 90%~95%）
核心原因	磁场传递慢，需 “大仓库” 囤能量	磁场传递快，“小仓库” 就够，损耗少

3、电涡流传感器

物理量变化→涡流变化→阻抗变化→电信号变化→反推物理量。

当 “高频变化的磁场” 穿过金属导体（比如钢铁、铝等导电材料）时，根据法拉第电磁感应定律，金属导体内会感应出 “环形的感应电流”—— 这种电流的形态像水流中的 “漩涡”，因此被称为 “电涡流”（简称 “涡流”）。

• 涡流的强弱有规律：金属导体离激励线圈越近、金属的导电 / 导磁性能越好、激励线圈的频率越高，涡流就越强；反之则越弱。
• 涡流的本质：是金属导体内自由电子在 “变化磁场的推力”（感生电场）作用下，形成的定向环形移动（和之前讲的 “互感” 中副线圈的电流本质一致，但涡流是在 “块状金属” 中，而非 “线圈” 中）。

基于上述原理，涡流传感器有 3 个核心优势，决定了它的应用场景：

1. 非接触测量：传感器的激励线圈不需要和金属物体直接接触，不会磨损被测物体，也不受物体表面油污、灰尘的影响（只要能穿透表面即可）；
2. 响应速度快：高频激励下，涡流的产生和变化非常迅速（响应时间通常在微秒级），适合测量高速运动的物体（如电机转轴的转速、振动）；
3. 只对金属敏感：涡流只能在 “导电的金属导体” 中产生，对塑料、玻璃等非导电材料无响应 —— 这既是优势（抗干扰），也是局限（只能测金属）。例如-》探伤检测：检测金属内部的 “缺陷”（如裂纹、气孔）—— 当激励线圈靠近 “缺陷处” 时，金属的导电 / 导磁性能发生变化（缺陷处相当于 “非连续金属”）

电磁炉的原理是什么，发明它的人真是个天才_哔哩哔哩_bilibili

4、互感线圈和电涡流形成的电流区别？

电荷定向移动就是变化的磁场形成电流，都

线圈中的电流：“沿着导线绕圈的定向路径”，线圈是 “用绝缘导线一圈圈绕成的”，导线的绝缘层会 “约束电子的流动范围”—— 电子只能在导线内部移动

涡流：“ 由于没有导线约束，电子会在块状金属内部形成 “多个同心的环形电流”，围绕变化磁场的形成的环形

举例 电磁炉

现在大家知道金属区域会形成一圈圈的涡流，然后

电流）流过锅具底部的金属时，会遇到 “电阻阻碍”—— 根据就是我们知道，任何导体都有 “电阻”（即使是铜、铁等良导体，电阻也不为零）。当涡流（本质焦耳定律（Q=I²Rt），电流在克服电阻的过程中，会把 “电能” 转化为 “热能”：

电磁炉的锅具底部，就相当于 “一圈圈无形的电阻丝”（涡流的路径），通电后自然会发热。

对比维度	电感式传感器（Inductive Sensor）	电压式传感器（Voltage Sensor）	电容式传感器（Capacitive Sensor）
核心原理	基于电磁感应，通过 “线圈电感 L 变化”（如铁芯位移改变互感、金属靠近改变涡流）转化为电信号（电压 / 电流）	基于物理效应（如压电效应、热电效应），直接将物理量转化为 “直流 / 交流电压信号”，无需电感 / 电容变化	基于电容公式\(C=\varepsilon S/(4\pi d)\)，通过 “极板面积 S、间距 d、介电常数\(\varepsilon\)变化” 改变电容 C，再转化为电信号
日常应用场景	1. 位移 / 位置检测：机床主轴径向跳动检测、电梯门限位开关（非接触式，只对金属敏感）2.转速测量：电机转轴转速监测（转轴带金属槽，感应涡流变化）3.探伤检测：金属管道 / 零件内部裂纹检测（涡流变化反映缺陷）4.接近开关：自动门感应（检测人体携带的金属物品，如钥匙、手机）	1. 压力测量：电子血压计（压电传感器，压力挤压产生电压）2.温度测量：热电偶传感器（两端温差产生 “热电势” 电压，用于烤箱、热水器测温）3.声音采集：麦克风（驻极体电容麦克风本质是 “电压输出型”，声音振动转化为电压信号）4.液位测量：水箱水位传感器（浮子带动电阻变化，转化为电压变化，直读水位）	1. 液位 / 料位检测：加油站油罐液位监测（油 / 空气介电常数不同，液位变化改变\(\varepsilon\)，进而改变电容）2.厚度测量：薄膜 / 纸张厚度检测（材料厚度改变极板间距 d，电容变化反映厚度）3.湿度检测：家用湿度计（湿敏电容的\(\varepsilon\)随湿度变化，转化为电压信号）4.非接触测距否靠近人脸）就是：手机人脸识别的 “距离感知”（电容间距 d 变化，判断
检测对象类型	仅对金属导体 / 导磁材料敏感（需产生涡流或磁场变化）	不限材料，可检测压力、温度、声音、液位等多种非电量（直接转化为电压）	对导体 / 非导体均敏感（只要能改变 S、d、\(\varepsilon\)，如液体、塑料、空气）
测量精度	中高精度（适合毫米级～微米级位移，受温度、磁场干扰较小）	中低精度（直读式为主，适合日常定性 / 半定量测量，如血压、室温）	高精度（适合微米级～纳米级微小变化，受湿度、介电常数干扰较大）
响应速度	较快（微秒级，适合高速运动物体，如电机转速）	快（毫秒级～微秒级，如麦克风实时采集声音）	快（微秒级，适合快速变化的物理量，如薄膜生产线厚度监测）
环境适应性	抗油污、灰尘能力强（非接触式，磁场穿透性好），但怕强磁场干扰	抗干扰能力较弱（电压信号易受电磁干扰，需屏蔽），怕潮湿（影响电阻 / 压电效应）	怕潮湿、粉尘（易改变介电常数\(\varepsilon\)，影响电容值），适合干燥清洁环境
成本	中（线圈 + 铁芯 / 信号处理电路，批量生产成本可控）	低（结构简单，多为集成芯片，如热电偶、驻极体麦克风）	中高（需高精度电容检测电路，对介电常数稳定性要求高）

核心差异总结（一句话区分）

1. 电感式：“只认金属，非接触测位移 / 转速”，抗油污但怕强磁；
2. 电压式：“直读电压，测压力 / 温度 / 声音”，成本低但易受干扰；
3. 电容式：“导体非导体都能测，靠面积 / 间距 / 介电常数变化”，精度高但怕潮湿。

否为金属”“精度要求”“环境湿度” 三个核心因素快速匹配：测金属位移选电感式，测日常温度 / 压力选电压式，测液位 / 薄膜厚度选电容式。就是日常选择时，可根据 “检测对象