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1、电感传感器工作原理及应用摘要：电感式传感器有非常广泛的用途。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等。关键词：电感式传感器 工作原理 应用引言传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的原件，其形成的传感器技术是机电一体化的第一基础。传
2、感器的基本物性包括静特性和动态特性，其中静特性又含有线性度、灵敏度、迟滞。电感式传感器（inductance type transducer）是利用电磁感应把被测的物理量（如位移，压力，流量，振动等）转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传感器和电涡流传感器三种类型。一、电感传感器的介绍1 电感测头的结构和工作原理图1 是轴向式电感测头的结构图。测头10 用螺钉拧在测杆8 上, 测杆8 可在钢球导轨7 上作轴向移动。测杆上端固定着衔铁3。线圈4 放在圆筒形磁心2 中, 两线圈差动使用, 当衔
3、铁过零点上移时, 上线圈电感量增加, 下线圈电感量减少。两线圈输出由引线1 接至测量电路。测量时, 测头10 与被测物体接触,当被测物体有微小位移时, 测头通过测杆8 带动衔铁3 在电感线圈4 中移动, 使线圈电感值变化, 通过引线接入测量电路。弹簧5 产生的力, 保证测头与被测物体有效地接触。防转销6 限制测杆转动, 密封套9 防止灰尘进入传感器内部。图1电感传感器测头结构图电感测头是一种螺管式电感传感器, 如图2 所示。其工作机理是当衔铁移动时, 磁路中气隙的磁阻发生变化, 从而引起线圈电感的变化, 显然线圈电感的变化量与铁芯插入线圈的深度有关。螺旋管线圈沿轴向磁场强度不均匀分布, 只有在
4、线圈中段才有可能获得较好的线性关系。为此, 令铁芯工作在线圈中段, 忽略线圈内磁场强度的不均匀分布, 对螺管线圈的近似理论分析表明, 对w 匝单层线圈, 若线圈长为( cm) , 半径为r ( cm) , 磁导率为(H/ cm) , 若铁芯向线圈1 推进Lc , 则两线圈的电感变化量为:此时得到的即是线性的输出特性( C为常数)。这种传感器的灵敏度为：图2 传感器衔铁线圈结构示意图由上式可以看出, 若要提高传感器的灵敏度必须尽可能增大比例因子k , 即比值l / lc 及r / r c 要尽可能小, 铁芯相对磁导率Lm 尽可能大。2、传感器测量电路的工作原理电感变化量的检测利用惠斯登交流电桥原
5、理, 如图3 所示。在电桥上加一电动势e, 忽略电感中的电阻, 电桥输出的交流电压为: 如果取：那么,图3 惠斯登交流电桥为了保证测量精度, 必须有一个高稳定度的交流信号源和一个低噪音高增益的交流放大电路。要测定线圈电感的变化, 必须把电感传感器接到一定的测量电路中, 使电感的变化进一步转换为电压的变化便于后续处理, 传感器测量电路的原理框图如图4 所示。基本工作原理为: 通过标准振荡器和稳幅电路获得频率和幅值稳定的正弦波作为传感器输出信号的载波信号; 电感测头检测到的位移的变化引起线圈电感量的变化, 经电桥电路转换为电压信号, 该信号经过正弦波调制并经过交流放大与带通滤波处理后到达采样保持器
6、; 准振荡器的另一路输出作为采样保持器的触发信号, 使它实现对正弦波信号的峰峰值采样,采样信号经A/ D 电路转换为数字信号送给计算机进行最终处理。其中, 用于生成正弦波的三角波生成电路至关重要, 因为三角波幅值的稳定程度及相移量的大小将直接影响测量系统的稳定性和精度。为防止后部电路与前面的三角波生成电路相互影响造成测量噪声, 前后两部分电路通过变压器耦合实现电气隔离。图4 电感传感器测量电路原理框图电感测头的输出信号要经三角波调制, 调制后因幅值太小还需按要求进行交流放大, 以便于后续电路进行处理。为了消除各种低频噪声的影响, 获得更高精度的测量结果, 设计一个带通滤波器来实现三角波到正弦波
7、的转换。由于振荡器的频率是单一、稳定的,理论上只需保留该频率成分而将其它频率成分都消除, 因此所设计的带通滤波中心频率f 0 等于正弦波振荡器的工作频率, 带通范围f 要尽量窄。这一部分电路的原理框图如图5 所示。图5 波形变换原理框图本测量电路还具有一个优点, 可由计算机控制继电器的闭合与断开, 改变交流放大倍数, 实现不同测量档的转换。由此避免了传统电路中需反复调整多个可调电阻才能实现换档的繁琐与不便。3、电感传感器的特点（1）结构简单：没有活动的电触点，寿命长。（2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能达到上百毫伏。（3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角度变化。（4）重复性与
8、线性度好：在一定位移范围内，输出特性的线性度好，输出稳定。（5）电感传感器的缺点就是存在交流零位信号，不适宜进行高频动态测量。二、电感传感器的发展1、电感式传感器在具体工程中的应用电感传感器应用广泛它可测量弯曲和偏移可测量振荡的振幅高度可控制尺寸的稳定性可控制定位可控制对中心率或偏心率。同时它也可用作磁敏速度开关和齿轮龄条测速等该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测链输送带的速度和距离检测齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等。2、电感式传感器的发展
9、趋势待添加的隐藏文字内容22.1利用新材料发展新产品 利用新材料更优异的性能来提高电感式传感器的性能是未来发展趋势之一。例如电感式接近开关其内部结构是在铁氧体磁芯上绕制线圈作为电感线圈而铁氧体磁芯自身的限制使得电感式传感器不可能在已有的设计理念下发展那么只能寻找新材料用来替代铁氧体线圈从而生产出有更好性能的传感器。 2.2利用MEMS硅微加工技术 MEMS硅微加工技术是未来的主要趋势之一。基于MEMS硅微加工技术电感式传感器具有体积小、低功耗等特点易于集成在各种模拟和数字电路中便于在应用在各个领域。这也是所有传感器的主要发展方向之一。 2.3集成化、智能化方向发展 电感式传感器发展的另一大特点
10、是向着集成化、智能化方向发展。集成传感器优势明显其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能它可降低成本、增加产量。而智能化传感器是一种带微处理器的传感器它兼有检测、判断和信息处理功能具有判断和信息处理功能可实现多传感器多参数测量有自诊断和自校准功能测量数据可存取且具有数据通信接口能与微型计算机直接通信。电感式传感器不仅应用在汽车、机床、冶金、物流等传统行业，也应用在太阳能、风电等新兴行业，但短期内传统行业仍然是电感式传感器的主要应用行业，消费品机械、汽车、机床行业为应用最多的三个行业，约占据整体的45%。整体市场中外资在大多数行业均有领先优势，
11、尤其是以汽车、冶金为代表的重型工业领域。内资企业因为技术等方面原因，对外资品牌产品的冲击较弱，但因其价格低廉，在对价格较为敏感的轻工行业占有一定优势。电感式传感器的技术已经比较成熟，在工业自动化领域中，不断替代一些机械开关，但同时在某些领域也会被其它的产品替代，但总体而言，随着工业领域自动化程度的不断提高，大陆市场对电感式传感器的需求不断扩大，整体的市场前景比较乐观。三、总结传感器在现在社会生产和应用中已经日益体现出了它独特的魅力而作为我们机电一体化专业的学生来说接触传感器是今后的学习和工作的必然从种种方面来说我们从现在开始就要对传感技术和传感器有一个系统的认识和了解。现在传感器市场的竞争十分
12、剧烈，促使各传感器生产厂家在提高传感器性能上都做些努力。传感器在科学领域、工业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现在为技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。【参考文献】1 王秀梅. 新型微位移传感器原理与实验研究. 学位论文, 长沙: 国防科技大学研究生院, 1997.2 金发庆.传感器技术及其工程应用.机械工业出版,2010.6 3 陈黎敏.电感式传感器的应用.机械工业出版社，2010 4 杨帆.传感器应用技术标准.化学工业出版设，2010 5 马西秦.自动检测技术.机械工业出版社,2009.06 6 刘传玺.自动检测技术.机械工业出版社,2012.
