電感式傳感器是利用線圈自感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置。通常由振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路三大部分組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無活動(dòng)電觸點(diǎn)，工作壽命長(zhǎng)。而且靈敏度和分辨力高，輸出信號(hào)強(qiáng)。線性度和重復(fù)性都比較好，能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制?？梢詼y(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、比重等參數(shù)。

 

電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。

 

 

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：沒有活動(dòng)的電觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)。

 

（2）靈敏度高：輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度每毫米能達(dá)到上百毫伏。

 

（3）分辨率大：能感受微小的機(jī)械位移與微小的角度變化。

 

（4）重復(fù)性與線性度好：在一定位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度好，輸出穩(wěn)定。

 

（5）電感式傳感器的缺點(diǎn)是存在交流零位信號(hào)，不適宜進(jìn)行高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。

　　

 

電感式傳感器可分為自感式傳感器、差動(dòng)變壓式傳感器和電渦流傳感器三種類型。

 

　　

 

 

自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯與銜鐵由硅鋼片或坡莫合金等導(dǎo)磁材料制成。

 

自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖

 

 

自感式傳感器是把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。

 

傳感器在使用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)部分與動(dòng)鐵心（銜鐵）相連，當(dāng)動(dòng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，鐵芯與銜鐵間的氣隙厚度 δ 發(fā)生改變，引起磁路磁阻變化，導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生改變，只要測(cè)量電感量的變化，就能確定動(dòng)鐵芯的位移量的大小和方向。

　　

自感式傳感器的工作原理示意圖

 

當(dāng)線圈匝數(shù)N為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數(shù)，只要改變δ 或S均可導(dǎo)致電感變化。因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙δ厚度的傳感器和變氣隙面積S的傳感器。

 

如果S保持不變，則L為 δ 的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型自感傳感器；如果保持δ 不變，使S隨位移而變，則可構(gòu)成變截面型自感傳感器；如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。

　　

 

變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)

　　

 

變面積式自感傳感器結(jié)構(gòu)

 

由于漏感等原因，其線性區(qū)范圍較小，靈敏度也較低，因此，在工業(yè)中應(yīng)用得不多。

 

 

傳感器工作時(shí)，銜鐵在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化將引起螺管線圈電感量的變化。

 

對(duì)于長(zhǎng)螺管線圈l>>r，當(dāng)銜鐵工作在螺管的中部時(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，線圈電感量L與銜鐵的插入深度l大致上成正比。

 

螺管型電感傳感器

 

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，靈敏度較低，適用于測(cè)量較大的位移量。

 

 

由于線圈中通有交流勵(lì)磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會(huì)引起振動(dòng)和附加誤差，而且非線性誤差較大。外界的干擾、電源電壓頻率的變化、溫度的變化都會(huì)使輸出產(chǎn)生誤差。

 

在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。

 

這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差，可以減小測(cè)量誤差。

 

a、差動(dòng)式自感傳感器的結(jié)構(gòu)

 

(a)變氣隙式； （b）變面積式； （c）螺管式差動(dòng)式自感傳感器

 

b、差動(dòng)式自感傳感器的特點(diǎn)

 

差動(dòng)氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈1、2和磁路組成。

 

測(cè)量時(shí)，銜鐵通過測(cè)桿與被測(cè)位移量相連，當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。
 

自感系數(shù)特性曲線如圖所示。

 

自感系數(shù)特性曲線圖

　　

 

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量變化的裝置。

 

當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。

 

 

差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管線等。

 

a、b兩種結(jié)構(gòu)的差動(dòng)變壓器，銜鐵均為板形，靈敏度高，測(cè)量范圍則較窄，一般用于測(cè)量幾微米到幾百微米的機(jī)械位移。

 

(a)、(b)變間隙式差動(dòng)變壓器

 

對(duì)于位移在1mm至上百毫米的測(cè)量，常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動(dòng)變壓器，如c、d兩種結(jié)構(gòu)。

 

(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器

 

e、f兩種結(jié)構(gòu)是測(cè)量轉(zhuǎn)角的差動(dòng)變壓器，通?？蓽y(cè)到幾秒的微小位移。Ø非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

 

(e)、(f)變截面式差動(dòng)變壓器

 

 

差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)由鐵芯、銜鐵和線圈三部分組成。其結(jié)構(gòu)雖有很多形式，但其工作原理基本相同。

 

差動(dòng)變壓器上下兩只鐵芯均有一個(gè)初級(jí)線圈1和一個(gè)次級(jí)線圈2。上下兩只初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流激勵(lì)電壓，兩只次級(jí)線圈則按電勢(shì)反相串接。

 

三段式螺管差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

 

將兩個(gè)匝數(shù)相等的次級(jí)繞組的同名端反向串聯(lián)，當(dāng)初級(jí)繞組加以激磁電壓時(shí)，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個(gè)次級(jí)繞組和中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì);

 

如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，輸出電壓為零。

 

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向某一個(gè)次級(jí)線圈方向移動(dòng)時(shí)，則該次級(jí)線圈內(nèi)磁通增大，使其感應(yīng)電勢(shì)增加，差動(dòng)變壓器有輸出電壓，其數(shù)值反映了活動(dòng)銜鐵的位移。

 

三段式螺管差動(dòng)變壓輸出電壓曲線如圖所示。

 

差動(dòng)變壓器輸出電壓曲線

　　

 

電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構(gòu)成。

 

電渦流傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

 

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。

 

電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化或電感的變化從而進(jìn)行非電量電測(cè)的。Ø目前生產(chǎn)的變間隙位移傳感器，器量程范圍為300m～800mm。

 

電渦流式傳感器示意圖

 

將塊狀金屬導(dǎo)體置于通有交變電流的傳感器線圈磁場(chǎng)中。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍之內(nèi)，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)，和方向相反，抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生變化。

 

 

　

電感式滾柱直徑分選裝置實(shí)物

　

　

電感式滾柱直徑分選裝置結(jié)構(gòu)原理

 

 

變氣隙式差動(dòng)電感壓力傳感器主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。

 

變氣隙式差動(dòng)電感壓力傳感器

 

 

電感式傳感器還可以應(yīng)用于磨加工主動(dòng)測(cè)量、測(cè)量長(zhǎng)度位移量和制做電子測(cè)微儀。

 

 

 

可以直接用于位移測(cè)量，也可測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如力、力矩、壓力、壓差、振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、液位等。

 

 

差動(dòng)變壓器式力傳感器

 

 

1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼

 

這種變送器可分檔測(cè)量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(0～50)mV，精度為1.5級(jí)。

 

 

用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激勵(lì)頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果。可測(cè)量的振幅為(0.1～5)mm，振動(dòng)頻率為(0～150)Hz。

 

 

電渦流式傳感器具有測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)和可以非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域中。

 

 

電磁爐是我們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞募矣秒娖髦?，渦流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。

 

電磁爐工作示意圖

 

 

　　

 

能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。當(dāng)物體接近到設(shè)定距離時(shí)，就可發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。這種接近開關(guān)只能檢測(cè)金屬。

 

 

　

　　

利用新材料更優(yōu)異的性能來提高電感式傳感器的性能是未來發(fā)展趨勢(shì)之一。例如電感式接近開關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設(shè)計(jì)理念下發(fā)展，那么只能尋找新材料用來替代鐵氧體線圈，從而生產(chǎn)出有更好性能的傳感器。

 

基于MEMS硅微加工技術(shù)，電感式傳感器具有體積小、低功耗等特點(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，便于在應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。這也是所有傳感器的主要發(fā)展方向之一。

 

電感式傳感器發(fā)展的另一大特點(diǎn)是向著集成化、智能化方向發(fā)展。集成傳感器優(yōu)勢(shì)明顯，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時(shí)集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補(bǔ)償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它可降低成本、增加產(chǎn)量。

 

本文來源于傳感器技術(shù)。