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电感传感器工作原理及应用

摘要：电感式传感器有超级普遍的用途。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳固性；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，该类传感器普遍应用于纺织、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。传感器的大体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（inductancetypetransducer）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转变，再由电路转换为电压或电流的转变量输出，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,两线圈差动利用,当衔铁过零点上移时,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,使线圈电感值转变,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避免尘埃进入传感器内部。

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转变,从而引发线圈电感的转变,显然线圈电感的转变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散布,只有在线圈中段才有可能取得较好的线性关系。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散布,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μ(H/cm),若铁芯向线圈1推动△Lc,则两线圈的电感转变量为:现在取得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用意

由上式能够看出,若要提高传感器的灵敏度必需尽可能增大比例因子k,即比值l/lc及r/rc要尽可能小,铁芯相对磁导率Lm尽可能大。

二、传感器测量电路的工作原理

电感转变量的检测利用惠斯登交流电桥原理,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:

若是取：

那么,

图3惠斯登交流电桥

为了保证测量精度,必须有一个高稳固度的交流信号源和一个低噪音高增益的交流放大电路。

要测定线圈电感的转变,必需把电感传感器接到必然的测量电路中,使电感的转变进一步转换为电压的转变便于后续处置,传感器测量电路的原理框图如图4所示。

大体工作原理为:通过标准振荡器和稳幅电路取得频率和幅值稳固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转变引发线圈电感量的转变,经电桥电路转换为电压信号,该信号通过正弦波调制并通过交流放大与带通滤波处置后抵达采样维持器;准振荡器的另一路输出作为采样维持器的触发信号,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运算机进行最终处置。

其中,用于生成正弦波的三角波生成电路相当重要,因为三角波幅值的稳固程度及相移量的大小将直接影响测量系统的稳固性和精度。为避免后部电路与前面的三角波生成电路彼此影响造成测量噪声,前后两部份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,调制后因幅值过小还需按要求进行交流放大,以便于后续电路进行处置。为了消除各类低频噪声的影响,取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的转换。由于振荡器的频率是单一、稳固的,理论上只需保留该频率成份而将其它频率成份都消除,因此所设计的带通滤波中心频率f0等于正弦波振荡器的工作频率,带通范围△f要尽可能窄。这一部份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长处,可由运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