電感式位移傳感器的設計

1、第91、2 期第卷 第 1、2 期2010 年 6 月無 錫 南 洋 職 業(yè) 技 術 學 院 論 叢Journal of Wuxi Nanyang Vocational College電感式位移傳感器的設計袁道香Vol9 No1&2June2010摘 要 針對目前電感式位移傳感器的應用現(xiàn)狀，本文提出了一種新的電感式位移傳感器的設計方法，具有控制及數(shù)據(jù)處理等功能，結構簡單、成本低等優(yōu)點，可以廣泛應用于機械位移的測量與控制系統(tǒng)中。關鍵詞 電感式傳感器；自感式傳感器中圖分類號 G807文獻標識碼A文章編號 JS-B059(2010)01-0046-05一、引言（一）傳感器的定義國家標準 GB

2、7665- 87 對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。”傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。（二）傳感器的作用人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術革命的到來，世界開始進

3、入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產也就失去了基礎。在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到納米的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到 秒的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種

4、極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至收稿日期：2010- 04- 15作者簡介：袁道香（1979-），女，江蘇射陽人，工程碩士,無錫南洋職業(yè)技術學院電子與信息工程系教師，江蘇無錫 214081。46無 錫 南 洋 職 業(yè)

5、 技 術 學 院 論 叢文物保護等等極其之泛的領域1。第 9 卷由此可見，傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。（三）傳感器的分類按照其用途，傳感器可分類為：壓力敏和力敏傳感器；位移傳感器；液面?zhèn)鞲衅?；能耗傳感器；速度傳感器；加速度傳感?；射線輻射傳感器；熱敏傳感器等等2。位移傳感器又稱為線性傳感器，把位移轉換為電量的傳感器，位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件。傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳

6、感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。在這種轉換過程中有許多物理量(例如壓力、流量、加速度等)常常需要先變換為位移，然后再將位移變換成電量。因此位移傳感器是一類重要的基本傳感器。在生產過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。機械位移包括線位移和角位移。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型（如自發(fā)電式）和結構型兩種。常用位移傳感器以模擬式結構型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器（見電感式傳感器）、自整角機、電容式位移傳感器（見電容式傳感器）、電渦流式位移傳感器（見電渦流式傳感器）、霍爾式位移傳感器等。數(shù)字式位移傳感器的

7、一個重要優(yōu)點是便于將信號直接送入計算機系統(tǒng)（見數(shù)字式傳感器）。這種傳感器發(fā)展迅速，應用日益廣泛(見感應同步器、碼盤、光柵式傳感器、磁柵式傳感器)。二、電感式位移傳感器的設計本設計內容為設計電感式位移傳感器，在設計時所要達到的要求有如下 4 點：（1）能夠檢測 020cm 的位移；（2）電壓輸出為 15V；3）電流輸出為 420mA；4）能進行數(shù)字顯示。（一）設計的總體模塊主要由直流穩(wěn)壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調器、差動放大電路、V/I 轉換電路、A/D 轉換電路、LED顯示電路等構成。總體設計框圖如下：圖 1 電感式位移傳感器的設計總體框圖（二）各模塊的設計電路電路包含兩個部分：模擬電路

8、部分和數(shù)字顯示部分，分別如圖 2、圖 3 和圖 4 所示。整個電路的工作原理如下所述：直流穩(wěn)壓電源為整個電路提供電源，圖 3 中 IC2 構成電壓跟隨器，產生并輸出提供給模擬電路電位公共點；IC3 構成方波信號發(fā)生器，在電路中產生方波電壓提供給電感式傳感器，電感式傳感器接成橋式電路，電橋輸出的不平衡電壓與傳感器中銜鐵位移成正比。電橋輸出的信號比較小，則需圖 3 中 IC1 差動放大電路放大到一定程度才能工作。需圖 3 中 IC3 與中功率三極管 T 組成電壓 -電流（V/I）轉換電路，產生電流通過 6 腳輸出，提供給雙積分 A/D 轉換器，然后再在 LED 顯示器上顯示出來。1、模擬電路部分4

9、7第 1、2 期2、數(shù)字電路部分48袁道香：電感式位移傳感器的設計圖 2 電感式位移傳感器的直流穩(wěn)壓電源圖 3 電感式位移傳感器的具體電路圖圖 4 數(shù)字電壓表的接線圖無 錫 南 洋 職 業(yè) 技 術 學 院 論 叢第 9 卷用 7107 構成數(shù)字電壓表的接線如圖 4 所示，模擬電路中 6 腳輸出的電流外接一個 10 的精密電阻，轉換成電壓從圖 4 中 VI 輸入端輸入。該表的量程 VM=200mV，也叫基準檔或基本表。下面逐一介紹各元件的作用：R1、C1 為時鐘振蕩的 RC 網(wǎng)絡。R2、R3 是基準電壓的分壓電路，R2 是可調電阻，R3 是固定電阻。調整 R2 使基準電壓 VREF=100.0m

10、V。R2 一般采用精密多圈電位器。R4、C3 為輸入端阻容濾波電路，以提高儀表的抗干擾能力，并能增強儀表的過載能力。因 7107 輸入阻抗很高，輸入電流極小，故可取 R4=1M，C3=0.01uF。C2、C4 分別是基準電容和自動調零電容。R5、C5 分別是積分電阻和積分電容。3、電感式傳感器圖 5 為螺管式自感傳感器結構原理圖。它由平均半徑為 r 的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入的深度的不同將引起線圈泄露路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。根據(jù)磁路結構，磁通主要由兩部分組成：沿軸向貫穿整個線圈后閉合的主磁通 m 和經銜鐵側面氣隙閉合的側磁通 s（漏磁通）。因氣隙較大，故磁

11、性材料的磁阻可忽略不計。圖 5 螺管式自感傳感器原理圖設銜鐵處于圖示位置。這時，線圈電流 I 產生的主磁通和主磁鏈分別為：m=IwR2u0/(l- la)m=Wm= IW2R2u0/(l- la)式中l(wèi)，la分別為線圈長度與銜鐵插入深度；R磁通作用半徑，由銜鐵半徑 ra 與端部空氣隙大小而定。R=ra（1+）， 為修正系數(shù)，可由圖 6 查得。側磁通 通過銜鐵側面與線圈交鏈，交鏈部分只是銜鐵側面遮蓋部分的線圈。在線圈的軸向不同位置處，磁勢 IWx 是不同的，且交鏈到的線圈匝數(shù)也不一樣。由圖 5，離線圈端面 x 處的磁勢為：Fx=IWx=IW·x/l根據(jù)兩同心圓柱面磁極間的磁導計算公式，

12、可得半徑為 ra 的銜鐵與內徑為 D 的磁性套筒間的比磁導（單位長度的磁導）：G=20/D/2ra）于是，微分單元磁導為 gdx,x 處的微分單元磁通為 dx=Fx·gdx。此微分單元磁通匝鏈的線圈匝數(shù)為Wx=W·x/l，故微分單元磁鏈：Dx=Wxdx=(IW2gx2)/(l2)dx整個線圈的側磁鏈：s=dx=IW2·gla3 /3l2整個線圈的總磁鏈為主磁鏈和側磁鏈之和，即=m+x=IW2R2u0/(l- la)+ gla3 /3l2線圈的電感量：L=/I= W2R2u0/(l- la)+ gla3 /3l2由于傳感器軸向氣隙較大，存在磁通邊緣效應，故可認為在銜

13、鐵移動的一定范圍內主磁通近似不變。這時，銜鐵位移僅引起側電感 Ls 變化。傳感器的靈敏度：圖 6 磁通作用半徑修正系數(shù)49第 1、2 期袁道香：電感式位移傳感器的設計KH=dL/dla=dLs/dla=W2gla2 /l2=3Ls/la式中，Ls=W2·gla3/3l2，為側磁鏈引起的電感。螺管式自感傳感器有以下特點：（1）由于空氣隙大，磁路磁阻大，故靈敏度低，欲提高靈敏度，可提高ra/r 與 la/l，增加匝數(shù)，但受穩(wěn)定性限制；（2） 從磁通分布看，只要滿足主磁通不變與線圈繞組排列均勻的條件，可望得到較大的線性范圍。差動自感傳感器是將公共銜鐵的兩個相同自感傳感器結合在一起的一種傳感

14、器，它可以用圖 7 所示，在圖中，當銜鐵的位移處于中間位置時，兩線圈電感相等，負載 Zf 上就沒有電流，此時 D7、D8 上電流 I1=I2，I=0，輸出 VSC=0。當銜鐵有位移時，一個自感傳感器的氣隙增加，另一個減??；從而使一個自感傳感器的電感值減小，而另一個增大，此時 I1I2，在負載 Zf2,就產生I 和輸出電壓 VSC，其電流I 或輸出電壓大小即可表示銜鐵的位移，同時銜鐵移動的方向不同，輸出的電壓的極性亦不同，這樣，根據(jù)輸出電流或輸出電壓的大小極性，就可知道銜鐵位移的大小和方向，根據(jù)磁路結構的不同，可以有各種結構形式的差動自感傳感器。為了減少誤差，圖 7 差動自感傳感器每次檢測之前我

15、們都要經過調 0，當可變電阻調到中間時，兩邊橋臂相等即為 0 處，這時電流顯示 4mA。三、總結該設計的電路模塊主要包括直流穩(wěn)壓電源、振蕩電路、電感傳感器、解調器、差動放大電路、V/I 轉換電路、A/D 轉換電路、LED 顯示電路等，結構簡單，容易實現(xiàn)。 參考文獻1 賈伯年，俞 樸. 傳感器技術M. 南京：東南大學出版社，2006：68- 692 王煜東. 傳感器及應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2005：5- 9The Design of Inductive Displacement TransducerYUAN Dao- xiangAbstract：According to the current application situation of the Inductive Displacement Transducer,The articalintroduces the disign of an Inductive Displacement Transducer. Cha