1、电感式传感器的研究与设计0南 阳 理 工 学 院材料成型控制工程（大作业）学 院（系）： 机械与汽车工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 学 生 姓 名： 郝战怀 学 号： 1202325024 指 导 教 师（职称）： 何 一 文 （讲师） 完 成 日 期： 2015 年 6 月 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology电感式传感器的研究与设计电感式传感器的研究与设计1热加工测控技术 郝战怀摘 要：随着科技和工业的自动化快速发展，传感器在在工业自动控制系统中被广泛采用。利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、应变、流量和密度等参数转换成线圈自感量 L 或
2、互感量 M 的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。电感式传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制的传感器，具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。关键词 ：电磁感应；电感式；传感器；差动变压Research and design of inductive sensorHeat measurement and control technologyAbstract：
3、With the rapid development of the technology and industry, the sensor is widely used in the industrial automatic control system The principle of electromagnetic induction will be measured non power such as displacement, stress and strain, flow and density parameters into the change of loop self indu
4、ctance L or mutual inductance m, again by the measuring circuit conversion for changes in output voltage or current. The device called for inductive sensors. Inductive sensor can realize the long-distance transmission of information, record, display and control the sensor has simple structure, relia
5、ble work, high measurement precision, zero point stability and larger output power and a series of advantages, its main disadvantage is mutual restriction of sensitivity, linearity and range of measurement, sensor and its frequency response at low, not suitable for fast dynamic measurement. Many kin
6、ds of inductive sensors, this chapter mainly introduces the self inductance, mutual inductance and eddy current sensor three.Keywords: electromagnetic induction; inductance type; sensor; differential pressure transformer目 录电感式传感器的研究与设计21 绪论 .21、1 传感器的发展 .22 传感器分类及原理 .22、1 变磁阻式传感器（自感式）工作原理： .22、2 差动变
7、压器式传感器 （互感式） 32.2.1 变隙式差动变压器工作原理 .32.2.2 螺线管式差动变压器工作原理32.2.3 电涡流式传感器（互感式）.3 3 传感器特点 .44 电感式传感器的种类 .54、1 自感式电感传感 54、2 变压器式传感器 54、3 电涡流式传感器 65 电感式传感器的应用 .65、1 一般应用 .65、1、1 变磁阻式传感器的应用.65、1、2 差动变压器传感器的应用65、1、3 电涡流传感器的应用75、2 生产实际应用：.7电感式传感器的研究与设计36 展望81 绪论1.1 传感器的发展在工业生产和科学研究等行业中，常常需要利用 PC 或工控机对各种数据进我国的传
8、感器发展已经经历了 50 多个春秋，20 世纪 80 年代，改革开放给传感器行业带来了生机与活力。90 年代，在党和国家关于“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”的决策指引下，传感器行业进入了新的发展时期。目前来看，传感器的应用已经遍及到工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程等多方面的领域，几乎所有的现代化的项目都离不开传感器的应用。在我国的传感器市场中，国外的厂商占据了较大的份额，虽然国内厂商也有了较快的发展，但仍然无法跟上国际传感器技术的步伐。近年来，由于国家的大力支持，我国建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、机器人国家重点试验室等研发基地，初步建立
9、了敏感元件和传感器产业，目前我国已有 1,688 家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事 MEMS 研发的有 50 多家。在经济全球化趋势下，随着我国的投资环境的改善已经对传感器技术的大力支持，各国传感器厂商纷纷涌进我国的传感器市场，使得国内的传感器领域的竞争日趋激烈。于此同时，强烈的技术竞争必然会导致技术的飞速发展，促进我国传感器技术的快速进步。 2 传感器分类及原理：2.1 变磁阻式传感器（自感式）工作原理：变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度 发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导
10、致电感线圈的电感值变化，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。电感式传感器的研究与设计4线圈中电感量为：传感器的 L- 特性曲线：2、2 差动变压器式传感器 （互感式）2.2.1 变隙式差动变压器工作原理初级绕组 W1a=W1b=W1， 次级绕组和 W2a=W2b=W2。 两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。当没有位移时，衔铁 C 处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有 a0=b0=0，则绕组 W1a 和 W2a 间的互感 Ma 与绕组 W1b 和 W2b 的互感 Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即 e2a=e2b。由于次级绕组反相
11、串联，因此，差动变压器输出电压 Uo=e2a-e2b=0。 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使 ab，互感MaMb，两次级绕组的互感电势 e2ae2b，输出电压 Uo=e2a-e2b0，即差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。 2.2.2 螺线管式差动变压器工作原理两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路。 当初级绕组加以激励电压 U 时, 根据变压器的工作原理 ,在两个次级绕组 W2a 和 W2b中便会产生感应电势 E2a 和 E2b。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处
12、于初始平衡位置时, 必然会使两互感系数 M1=M2。根据电磁感应原理, 将有 E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联, 因而 Uo=E2a-E2b=0, 即差动变压器输出电压为零。 202AWRLm电感式传感器的研究与设计52.2.3 电涡流式传感器（互感式） 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2，I 2 又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律， H2 的作用将反抗原磁场 H1，由于磁场 H2 的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金
13、属导体的电涡流效应。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关系式为Z=F(,r,f,x) 3 传感器特点由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不
14、适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传电感式传感器的研究与设计6感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。4 电感式传感器的种类电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，有利用互感原理的差动变压器式传感器。此外，还有利用涡流原理的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器和利用互感原理的感应同步等。4.1 自感式电感传感自感式电感传感器属于电感式传感器的一种。它是利用线圈
15、自感量的变化来实现测量的，它由线圈、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，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。自感式电感传感器在测量位移和尺寸领域的应用，具有代表性的便是电感测厚仪。通过将测微螺秆 4 调节到给定厚度值，该厚度值可由度盘读出。被测带 2 在上下测量滚轮之间通过，通过杠杆使铁芯上下移动，从而改变线圈电感的变化则由相应的电桥电路测出，测出带材厚度的偏差值。此外变气隙型电感式尺寸传感器、螺管型轴向
16、式电感传感器都可以实现位移和尺寸的测量。变气隙型电感式尺寸传感器壳体内两个平弹簧上悬挂着导磁体，导磁体可以通过微调螺钉 1 相对于传感器壳体移动。螺管型轴向式电感传感器，可换测头通过螺杆拧在测杆上，测杆可在滚珠导轨上作轴向移动，滚珠有四排，每排物，尺寸和形状误差都小于 0.6um。一般这类型传感器被用做精密量仪的部件，如高精度的电感比较仪等。可以作为轴承滚动体自动分选机的主要测量部件，用来测量各种滚动体的尺寸和形状，零件的膨胀、伸长和应变等。电感式传感器的研究与设计74.2 变压器式传感器变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感的一种磁电动机构，很像变压器的工作原理，因
17、此常称其为变压器式传感器。这种传感器多采用差动模式。4.3 电涡流式传感器通过金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，通常就称它为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器就是基于这种电涡流效应。这种传感器不但具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，结构简单，安装方便等特点，而且又具有非接触测量的优点。5 电感式传感器的应用传统的电感式传感器是一种机-电转换装置，在自动控制设备中广泛应用。现在电感式传感器以其结构简单、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、稳定性能好和使用方
18、便等特点，广泛的应用于测量、监测、自控等领域 i。其中电涡流传感器具有非接触测量的优势，更受到青睐。5.1 一般应用：5.1.1 变磁阻式传感器的应用一般作为压力传感器和测量工具。（1）Welter 叙述的第一个导管端血压传感器结构。C 形弹簧管作为第一次换能元件将压力变化转换为位移的大小变化，衔铁作为第二次换能元件讲位移大小转换为电压的变化，达到测量的目的。（2）新型的测量工具示意图。其设计是将传统的测量方法与电感传感器相结合，将测量精度提高到 0.01m 级，满足了现代化机械加工测量要求。电感式传感器的研究与设计85.1.2 差动变压器传感器的应用差动变压器式可直接用于位移测量（测微仪），
19、如长度、内径、外径、不平度、不垂 直度、偏心、椭圆等；也可以用来测量与位移相关的任何机械量，如振动、加速度、零件的膨胀伸长、应变、移动等。下面是几个应用实例。（1）作为电感测厚仪使用。图 3 是电感测厚仪的结构原理图，差动变压器铁心与测厚滚轮相连，板材正常厚度值时调整差动变压器输出为零，变压器电动势输出大小的变化反映了被测板材厚度变化的大小，极性表示厚度是增加还是减小。（2）作为电感测微仪使用。采用差动变压器，桥路输出的不平衡与衔铁位移成正比，相敏输出与交流放大器输出信号成正比，相位反映了位移的方向。 （3）作为电感压差计使用。当压差变化时，腔内膜片产生位移使差动变压器铁心产生位移，从而使次级
20、感应电动势发生变化，因为输出电压与位移成正比，即与压差成正比，所以通过输出电压的变化可以检测差压的大小。5.1.3 电涡流传感器的应用电涡流传感器的最大特点是可以进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于测位移、测振动、测转速、测厚度、测材料、测温度、电涡流探伤等。（1）测厚。分为低频透射式涡流测厚和高频反射式涡流测厚。均利用电磁感应，根据电压的变化建立厚度与测量量的关系，达到测厚目的。有时测厚时为了客服带材的不平整或运动过程中的上下波动影响，常采用差动形式，利用变化值建立相应的关系。（2）测转速。检测转述的方式较多，图 4 的测量方法是在旋转体上加工或安装一个齿轮状金属，旁边安装涡流传感器
21、，旋转体旋转时，传感器线圈与被测体距离发生周期性变化，电涡流传感器将周期的改变信号的输出，由频率计数求出转速。（3）测振动。利用电涡流传感器测量振动的方法，可对汽轮机两侧、空气压缩机旋转轴的径向振动，汽轮机叶片的振动进行检测。可研究轴的振动形状，作出振型图。测量方法是将多个传感器安装在轴的侧面，当轴旋转时多道记录仪可以获得每个传感器各点的瞬间振幅值，并画出轴振型图。电感式传感器的研究与设计9（4）电涡流探伤。探伤时，传感器与被测金属保持距离不变，如有裂纹出现，导体的电阻率会发生变化，涡流损耗改变而引起输出电压的变化。图 5 为火车车轮裂纹检测的典型应用。传感器安装在火车车轮经过的测试现场，在车
22、轮宽度的位置上排列摆放多个电涡流传感器，并在沿周长方向上也连续放置多个传感器，目的是可以保证车轮旋转一周时，是车轮表面的每个部位上都能被传感器检测到。5.2 生产实际应用：电感式传感器自身的优势与现代检测要求适应性强，并由于其结构简单，工作条件要求不高，是很多行业、研究的首选对象。近年高铁等运输行业的高速发展，使得电感式传感器的监测功能得到了大范围的扩张；磨粒检测技术的发展，也使电感式传感器得到更多关注 ii。还有脉冲涡流检测技术，利用电涡流式电感器进行金属探伤，可以同时探测到试件不同深度的缺陷，让检测和识别表面与亚表面缺陷成了可能，另外，它具有检测成本低廉，操作简单，对人体无害和精度高等优势
23、 iii。微测量中，电感式传感器一直享有优势。微差压传感器在微流量测量、泄漏测试、洁净间测试、环境密封性检测等许多高精度测量场合应用广泛。磁性液体微差压传感器采用螺线式差动变压器工作原理，做到压力范围大，线性度好，灵敏度高，稳定可靠等优点，可以广泛应用于工业过程控制，机械制造，生物医学工程等许多领域 iv。就我自身的专业而言，传感器的应用也融入了焊接缺陷的检测。如点焊质量的检测。利用点焊电极位移传感器原理：电极位移信息与点焊缺陷密切相关，是点焊各参数影响的综合体现，可直接用于监测焊点加工热熔化、体积膨胀、冷却收缩等过程。因此，受到广泛关注。目前，选用的传感器中有光栅式、激光式、LVCT(Lin
24、ear Variable Differential Transformer)及涡流传感器。其中，光栅和激光传感器由于其使用条件相对要高，不适合监测生产现场大型设备；LVCT 属于接触式传感器，易受加压过程冲击，机械反应频率较低。所以现在多使用非接触式涡流传感器 v。在实际生产中，电感式传感器还用于质量的监测，如铁精矿品位的监测 vi；位置检测，如电缆偏心量的检测 vii、冷轧带钢连续生产线对中检测装置 viii；精度检测，如工件表面粗糙度检测 ix、数控机床中外径大小的检测 x等。电感式传感器的研究与设计106 展望现代科学研究以及生产实践对“检测、监测”越来越重视，而传感器的应用，为监测和检
25、测提供了有效的手段。而电感式传感器的诸多优势（结构简单、工作条件不高、非接触性测量等）使得它在科研和实际应用上均有广阔前景。近期的研究多围绕磁悬浮控制技术、磨粒检测技术、低频振动检测、探伤等进行，这些技术均在蓬勃发展，对电感式传感器的要求必将进一步提高。现在研究已经有意识的将电感式传感器的互换性能、与虚拟仪器的结合性、与单片机的配合使用都讨论进来，可见，电感式传感器的应用将更加智能化，得出的测量结果将更加直观。相信在今后的发展中，电感式传感器定会应用更加广泛。参考文献i 严钟豪，谭祖根 非电量电测技术 M北京：机械工程出版社，1983，122-123ii 范红波，张英堂，陶凤和，任国全 电感式
26、磨粒传感器中非铁磁质磨粒的磁场特性 传感器与微系统 2010( 29) 2iii 徐晨曦 阙沛文 毛义梅 脉冲涡流检测系统的设计 传感器与微系统 2009( 28)6：95-97iv 董国强，李德才，郝瑞参，基于铁磁性液体的微差压传感器研究 传感技术学报 2009v 潘存海，郭士林，杜素梅，李东涛 电阻电焊过程中多传感器实时监测 仪表技术与传感器 2009(2)vi 王丽杰，周真，牛滨，林琳 电感式铁精矿品位传感器设计 金属矿山 2009(1)参考电感式传感器的研究与设计11vii 吕广强，王暄，赵洪 电缆偏心测量用电感传感器的优化设计 哈尔滨理工大学学报2000,5(4)viii 杨溪林，邹凤欣，高增雪，邱忠义 电感式对中检测方法的研究 冶金自动化 2006 年增刊(S2)
