电感式传感器的发展与应用

电感式传感器的发展与应用

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[摘要]：检测要求的提高，对传感器提出了更高的精度、测量范围、稳定性等要求，伴随着新的材料、新的集成加工工艺的发展，也促进了传感器的发展。本文就电感式传感器的发展及应用进行了概括，并展望了电感式传感器的今后的发展。

[关键词]：电感式传感器、涡流、互感、自感、检测

0引言

电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化以实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。此类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。相较于其他类型的传感器，电感式传感器以其结构简单可靠、分辨率高、对环境要求不高、抗干扰能力强等特点及优势，广泛的应用于科研、工业生产的检测环节中。近年来，利用其与磁的关系，在磨粒检测等与磁感应相关的测试技术中也得到相关应用。

电感式传感器总的来说分为三大类，一是利用自感原理的自感式传感器，又称为变磁阻式传感器，二是根据互感原理的差动变压器式传感器，三是利用涡流原理的电涡流式传感器。根据工程实际或实验的不同需求，这三类电感式传感器均有广泛的应用。

1. 电感式传感器发展

综观几十年来传感技术的发展分为两个方面：一是提高与改善传感器的技术指标，包括精度上的提高，测量范围上的扩大，适应特殊环境的测量等；二是寻找新原理、新材料、新工艺1。电感式传感器的发展也是沿这两个方向进行的。

1.1缺陷的弥补

电感式传感器根据自身的设计特点有其优势也具备一定的劣势，如存在非线性误差、测量范围不足等。为了能弥补这些缺陷，近年的研究多从传感器的设计上、运算方式上等进行改善，如差动设计、低频设计等。

1.1.1非线性误差的改善

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3种传感器多制成差动式，提高了线性度并减小电磁吸力所造成的附加误差2。同时差动式的两个电感结构，还可以抵消温度、噪声干扰的影响。

实际应用实例如利用螺管型差动式电感传感器抗干扰能力强、温度漂移和时间漂移都很小、稳定性好的特性，成功运用于刚度测试系统中，并取得了很好的工程效果3。

1.1.2测量范围的扩展

测量范围主要针对电感式位移传感器而言，按其结构和原理一般都是由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。

电感式传感器本身的设计特点，就使其具备测微的功能，电感式微位移传感器是利用线圈的电感变化来实现微位移测量的一种装置。它具有精度高、工作稳定、结构简单的特点，尤其是测量仪所配用的轴向式电感式传感器，其外形和机械式百分表相同，适合产品测量系统的改造与开发。

传统的电感式微位移测量仪的二次仪表多为模拟式仪表，其功能与性能受到了一定的限制，测量仪以单片机为中心，采用液晶汉字显示与按键，实现了人机交互。引入数字式滤波与查表插值技术，使仪器具有较高稳定性与测量精度4。还有一种基于半桥式的电感位移传感器新方法，采用集成化的信号调理电路，同样基于单片机的测量电路和强大的测量软件系统，动态响应达100Hz，测量精度可以达到0.01µm5。

但这类传感器对于大位移测量而言，普遍存在着测量范围窄、结构较复杂、应用场合有限等问题。而针对这一问题，也有研究建立了大位移传感器的设计思想，并在此基础上研制出了高精度的电感式位移传感器，它将重量大、长度长的铁芯固定，作为定尺；将重量轻、长度短、体积小的线圈作为动尺；在线圈外设计导磁罩，构成线圈的外部磁路，并作为传感器的磁屏蔽.这样不仅克服了一般传感器的缺陷、大大加宽了测量范围，而且制作、安装和维护变得非常方便6。

在应用于金属的距离检测中，设计了基于恒定频率载波调幅法的振荡器及测量电路7，扩大了电涡流传感器的检测范围。

1.1.3其他改进

由于电感式传感器的设计原理原因，受磁现象的影响较大，同时应用的环境上也会对传感器提出要求。

针对传统电感传感器及其测量系统难于同时满足测量精度和采样速度的现状，提出一种适合动态位移超精测量方法．采用半桥式电感传感器作测量探头，利用集成信号调理电路和△-Σ型AD转换器，将高速过采样和平均滤波有机融和，实现了动态微位移的

⑤精密测量。

涡流式传感器的输出特性与被测对象的电磁特性有密切关系8，而当被测对象的电导率、磁导率变化时，传感器就要重新标定，当被测对象的电导率、磁导率在测试中变化时，传感器就无法正常使用。根据电磁场能量守恒定理，通过对具有不同电磁特性的被测对象在相同检测距离下时传感器输出的一定规律的研究，采用阻抗投影法9，可以消除被测对象电磁特性对传感器输出特性的影响。

电感式传感器对于工作环境要求不高，故有时会在爆炸性气体偶尔或频繁存在的危险场所中使用时。此时线圈可能出现短路或断路故障产生电火花，从而引起爆炸性事故，故须采用防爆措施，基于这个目的，现在设计了本质安全型电感式传感器10。

1.2性能的扩张

一是发挥本身的特点，做到基本的测量功能，并依据测量要求改良自身的测量敏感度、范围、精度等。如电涡流传感器以其结构紧凑坚固、能在恶劣环境下工作的优势，成为了电力石化机械等不可或缺的传感器。但其对被测材料十分敏感，因而提出了一种能够消除敏感性投影变换法11，以进一步满足工作要求。

同时，电感式传感器有一突出优势在于结构简单，易于安装，并在近年的研究实践中开始适用于多角度多外形多应力状态等的检测中，如用于锥轴承测量12、电感式转向盘扭矩传感器13、在圆度仪中的应用14、角位移的测量15等

二是结合新科技的要求，根据被测对象的不同要求，建立更多的测量关系，扩展自身的测量外延。如通过电磁理论分析，提出了一种基于印刷电路板（PCB）的平面型空心线圈电流互感器16。

三是发展与单片机（或虚拟仪器）及其他类型传感器的交互使用。如电感式传感器所采用的测量转换电路输出的都是模拟信号，都需要提供交流激磁信号使用不方便。将差动电感式传感器测量转换模块由单片机和滤波方法电路产生400Hz激磁信号，则无需而外采用交流电源，使用方便，并具有较高的测量精度。测量结果以RS-232串行口输出，使用灵活方便，便于数字处理17。在综合测控中，常常将电容式传感器和电感式传

感器一并使用。

四是利用新型材料提高自身的性能。如正在研究的非晶态合金压磁电感式薄膜压力传感器，能在较大温度变化范围内稳定工作的，满足了低压的流体压力测试，精度高，造价低18。

2. 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便等特点，广泛的应用于测量、监测、自控等领域19。其中电涡流传感器具有非接触测量的优势，更受到青睐。

2.1基本应用

2.1.1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) 图1为1943年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 …… 此处隐藏：2346字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……