自感型电感式传感器及其应用

1自感型电感式传感器及其应用摘要随着信息时代的到来，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。作为新型传感器的一种——变磁阻式传感器，对其深入研究也就更加愈加重要。本文磁阻式传感器的基本概念入手，着重讨论了电感式、变压器式和电涡流式三种传感器的工作原理、输出特性、测量电路及其在生活中的实际应用。旨在帮助我们利用传感器知识更好的改善生活，提高生活质量，从而促进社会进步。关键词：变磁阻式传感器；电感式；变压器式；电涡流式；原理；应用AbstractWiththeadventoftheinformationage,informationtechnologyplayedadecisiveroleonsocialdevelopment,scientificprogress.Thefoundationofinformationtechnologyincludesinformationcollection,informationtransmissionandinformationprocessing,andinformationcollectioncannotignorethesensortechnology.Inrecentyears,thesensorisinthestageofdevelopmentfromtraditionaltonew.Magneticresistancesensorasakindofnewtypeofsensor,theresearchofitisbecomingmoreandmoreimportant.Thispaperstartedwiththebasicconceptofmagneticresistancesensor,anddiscussedtheinductive,transformerandtheeddycurrenttypeofthesensor'sworkingprinciple,outputcharacteristics,measurementcircuitandtheactualapplicationinthelife.Usingsensorsaimedathelpingusimprovelife,alsotopromotesocialprogress.Keywords：MagneticResistanceSensor;Inductive;Transformer;EddyCurrentType;WorkingPrincipleApplication1.自感式电感传感器1.1自感式电感传感器定义自感式电感传感器，利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的传感器。可用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。既可用于动态测量，也可用于静态测量。实质上是一种机电转换装置，在自动控制系统中应用十分广泛，是非电量测量的重要传感器之一。1.2自感式电感传感器分类根据转换原理，分为电感式（自感L变化）、变压器传感式（互感M变化）、电涡流式（L、M都变化）传感器；根据结构形式，分为气隙型、面积型、螺管型传感器。本文主要按转换原理分类，逐个进行介绍。1.3自感式电感传感器的优缺点具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨力大，能分辨0.01m的位移2变化；重复性好，线性度优良；能实现远距离传输、记录、显示和控制。有两个不足：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；存在交流零位信号，不宜高频动态测量。2.电感式传感器2.1工作原理电感式传感器，是利用线圈自感量的变化来实现测量的。它的结构由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈中电感量：MNINLIR，其中N是线圈匝数，MR是总磁阻。且MfRRR121221FllRAA02RA（0是磁导率，是空气气隙）因为FRR02mRRA所以2202ANNLR若气隙截面积A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器；保持气隙间距δ不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。传感器灵敏度：20022NAdLSdS与气隙长度的平方成反比，愈小，S愈高，同时存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间隙变化范围内使用，一般取0/0.1。这种传感器适用于较小位移（0.001~1mm）的测量。2.2输出特性气隙厚度0时自感系数：2002ANL。当衔铁上移时，传感器气隙减小，即0，则输出电感为2000002()1ANLLLL当01时，用泰勒级数展开成级数形式：20000[1()...]LL；当衔铁随被测的初始位置向下移动时，同理有20000[1()...]LL忽略高次项线性处理得：00LL，因此既可确定衔铁位置又可确定方向。3电感灵敏度：0001/LKL2.3测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的转换电路如下：（1）变压器电桥电路：基本原理是输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化。（2）相敏检波电路：基本原理是输出电压经相敏检波可反映位移的大小和方向。（3）调频电路：基本原理是传感器电感的变化引起输出电压频率f的变化。（4）调相电路：基本原理是传感器电感的变化将引起输出电压相位的变化。2.4实践应用（1）应用于电感式滚珠直径分选装置。（2）应用于磨加工主动测量、测量长度位移量和制做电子测微仪。3.变压器式传感器3.1工作原理变压器式传感器，是利用变压器作用原理把被测位移等转换为初、次级线圈互感变化的。闭磁路变隙式差动变压器的结构：在A、B两个铁芯上绕有111ab的两个初级绕组和222ab两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。当被测体没有位移时衔铁处于初始平衡位置，与两个铁芯的间隙相等，则两绕组的互感相等，则两个次级绕组的互感电势相等。因次级绕组反相串联，差动变压器输出电压为零。当被测体有位移时衔铁的位置发生变化，两次级绕组的互感电势不相等，即差动变压器有电压输出。输出电压的大小与相位反映位移的大小和方向。图4-8所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进人膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。43.2输出特性研究前提是：在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下的等效电路。不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响时，变隙式差动变压器输出电压为2211babaWUUW当衔铁处于初始平衡位置时U2=0。若被测体带动衔铁移动，向上移动Δδ（向上移动为正）时有12210WUUW由此可知，变隙式差动变压器的输出电压与衔铁位移量成正比。闭磁路变隙式差动变压器的输出特性表明，变压器输出电压大小与衔铁位移大小成正比，相位根据衔铁移动方向与输入电压同相或反向。变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为：21210WUUKW电源幅值的适当提高可以提高灵敏度值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。但W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关。一般选择传感器的δ0为0.5mm。图4-9所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进人C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测证出输出电压，即叮得知被测压力的大小。3.3测量电路图5.20微压传感器接头通孔线路板衔铁壳体差动变压器底座膜盒插头5差动变压器输出交流电压，用交流电压表测量，只能反映衔铁位移大小，不能反映移动方向；测量值中还包含零点残余电压。为了辨别移动方向和消除零点残余电压，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。典型差动整流电路有：半波电压输出，全波电压输出，半波电流输出，全波电流输出四种电路。差动整流电路，电压输出的，适用于交流阻抗负载；电流输出的，适用于低阻抗负载。并且差动整流电路具有结构简单,不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。3.4实践应用（1）电感测微仪动态测量范围：1mm分辨率：1m精度：3%（2）电感压力传感器由接头、膜盒、底座、线路板、差动变压器、衔铁、罩壳组成（3）电感式滚珠直径分选装置4.总结与展望传感器技术，是一门集物理学、生物学、化学、电子通讯及网络技术等多门学科交叉的前沿技术，被公认为是本世纪发展最为迅猛的高新技术产业之一。作为新型传感器的一种——变磁阻式传感器，仅仅有这些基础理论是不够的，生活中还有更多的问题有待解决。对其研究的不断深入，不仅可以解决更多的实际问题，提高国民的全体生活质量，还可以进一步提高国家的综合实力。随着企业在不断借鉴国际先进技术的同时加强自身的自主创新，可以预见，中国传感器市场前景一片大好！参考文献[1]郭勇.PROTELDXP2004SP2印制电路板设计教程.机械工业出版社[M].2009[2]梁森、黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社[M]2010[3]周绍敏.电工基础.高等教育出版社[M].2009[4]百度百科传感器[5]方金兰.高校节能减排的一个成功样本.经济参考报[J]2009-12-316论文题目：自感型电感式传感器及其应用姓名：李世举班级：车辆工程091201学号：200912070109