精选-浅论电感式传感器-论文

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NanyangInstituteofTechnology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ResearchanddesignofinductivesensorHeatmeasurementandcontroltechnologyAbstract：Withtherapiddevelopmentofthetechnologyandindustry,thesensoriswidelyusedintheindustrialautomaticcontrolsystem..Theprincipleofelectromagneticinductionwillbemeasurednonpowersuchasdisplacement,stressandstrain,flowanddensityparametersintothechangeofloopselfinductanceLormutualinductancem,againbythemeasuringcircuitconversionforchangesinoutputvoltageorcurrent.Thedevicecalledforinductivesensors.Inductivesensorcanrealizethelong-distancetransmissionofinformation,record,displayandcontrolthesensorhassimplestructure,reliablework,highmeasurementprecision,zeropointstabilityandlargeroutputpowerandaseriesofadvantages,itsmaindisadvantageismutualrestrictionofsensitivity,linearityandrangeofmeasurement,sensoranditsfrequencyresponseatlow,notsuitableforfastdynamicmeasurement.Manykindsofinductivesensors,thischaptermainlyintroducestheselfinductance,mutualinductanceandeddycurrentsensorthree.Keywords:electromagneticinduction;inductancetype;sensor;differentialpressuretransformer目录电感式传感器的研究与设计21绪论..................................................11、1传感器的发展........................................22传感器分类及原理......................................32、1变磁阻式传感器（自感式）工作原理：........................32、2差动变压器式传感器（互感式）...............................42.2.1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）.........................................33传感器特点............................................54电感式传感器的种类....................................64、1自感式电感传感.......................................64、2变压器式传感器.......................................74、3电涡流式传感器.......................................75电感式传感器的应用....................................75、1一般应用............................................75、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：.....................................................76展望..................................................8电感式传感器的研究与设计31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δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导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。线圈中电感量为：20022AWRWLm电感式传感器的研究与设计4传感器的L-δ特性曲线：2、2差动变压器式传感器（互感式）2.2.1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δa0=δb0=δ0，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δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，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。电感式传感器的研究与设计5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即差动变压器输出电压为零。2.2.3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，I2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(ρ,μ,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：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；电感式传感器的研究与设计6⑧不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