电感式位移传感器的设计

1、第91、2 期第卷 第 1、2 期2010 年 6 月无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 论 丛Journal of Wuxi Nanyang Vocational College电感式位移传感器的设计袁道香Vol9 No1&2June2010摘 要 针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种新的电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制系统中。关键词 电感式传感器；自感式传感器中图分类号 G807文献标识码A文章编号 JS-B059(2010)01-0046-05一、引言（一）传感器的定义国家标准 GB

2、7665- 87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。（二）传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进

3、入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到纳米的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 秒的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种

4、极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至收稿日期：2010- 04- 15作者简介：袁道香（1979-），女，江苏射阳人，工程硕士,无锡南洋职业技术学院电子与信息工程系教师，江苏无锡 214081。46无 锡 南 洋 职 业

5、 技 术 学 院 论 丛文物保护等等极其之泛的领域1。第 9 卷由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。（三）传感器的分类按照其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器；位移传感器；液面传感器；能耗传感器；速度传感器；加速度传感器 ；射线辐射传感器；热敏传感器等等2。位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量的传感器，位移传感器是一种属于金属感应的线性器件。传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传

6、感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。在这种转换过程中有许多物理量(例如压力、流量、加速度等)常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。机械位移包括线位移和角位移。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型（如自发电式）和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器（见电感式传感器）、自整角机、电容式位移传感器（见电容式传感器）、电涡流式位移传感器（见电涡流式传感器）、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的

7、一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统（见数字式传感器）。这种传感器发展迅速，应用日益广泛(见感应同步器、码盘、光栅式传感器、磁栅式传感器)。二、电感式位移传感器的设计本设计内容为设计电感式位移传感器，在设计时所要达到的要求有如下 4 点：（1）能够检测 020cm 的位移；（2）电压输出为 15V；3）电流输出为 420mA；4）能进行数字显示。（一）设计的总体模块主要由直流稳压电源、振荡电路、电感传感器、解调器、差动放大电路、V/I 转换电路、A/D 转换电路、LED显示电路等构成。总体设计框图如下：图 1 电感式位移传感器的设计总体框图（二）各模块的设计电路电路包含两个部分：模拟电路

8、部分和数字显示部分，分别如图 2、图 3 和图 4 所示。整个电路的工作原理如下所述：直流稳压电源为整个电路提供电源，图 3 中 IC2 构成电压跟随器，产生并输出提供给模拟电路电位公共点；IC3 构成方波信号发生器，在电路中产生方波电压提供给电感式传感器，电感式传感器接成桥式电路，电桥输出的不平衡电压与传感器中衔铁位移成正比。电桥输出的信号比较小，则需图 3 中 IC1 差动放大电路放大到一定程度才能工作。需图 3 中 IC3 与中功率三极管 T 组成电压 -电流（V/I）转换电路，产生电流通过 6 脚输出，提供给双积分 A/D 转换器，然后再在 LED 显示器上显示出来。1、模拟电路部分4

9、7第 1、2 期2、数字电路部分48袁道香：电感式位移传感器的设计图 2 电感式位移传感器的直流稳压电源图 3 电感式位移传感器的具体电路图图 4 数字电压表的接线图无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 论 丛第 9 卷用 7107 构成数字电压表的接线如图 4 所示，模拟电路中 6 脚输出的电流外接一个 10 的精密电阻，转换成电压从图 4 中 VI 输入端输入。该表的量程 VM=200mV，也叫基准档或基本表。下面逐一介绍各元件的作用：R1、C1 为时钟振荡的 RC 网络。R2、R3 是基准电压的分压电路，R2 是可调电阻，R3 是固定电阻。调整 R2 使基准电压 VREF=100.0m

10、V。R2 一般采用精密多圈电位器。R4、C3 为输入端阻容滤波电路，以提高仪表的抗干扰能力，并能增强仪表的过载能力。因 7107 输入阻抗很高，输入电流极小，故可取 R4=1M，C3=0.01uF。C2、C4 分别是基准电容和自动调零电容。R5、C5 分别是积分电阻和积分电容。3、电感式传感器图 5 为螺管式自感传感器结构原理图。它由平均半径为 r 的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入的深度的不同将引起线圈泄露路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。根据磁路结构，磁通主要由两部分组成：沿轴向贯穿整个线圈后闭合的主磁通 m 和经衔铁侧面气隙闭合的侧磁通 s（漏磁通）。因气隙较大，故磁

11、性材料的磁阻可忽略不计。图 5 螺管式自感传感器原理图设衔铁处于图示位置。这时，线圈电流 I 产生的主磁通和主磁链分别为：m=IwR2u0/(l- la)m=Wm= IW2R2u0/(l- la)式中l，la分别为线圈长度与衔铁插入深度；R磁通作用半径，由衔铁半径 ra 与端部空气隙大小而定。R=ra（1+）， 为修正系数，可由图 6 查得。侧磁通 通过衔铁侧面与线圈交链，交链部分只是衔铁侧面遮盖部分的线圈。在线圈的轴向不同位置处，磁势 IWx 是不同的，且交链到的线圈匝数也不一样。由图 5，离线圈端面 x 处的磁势为：Fx=IWx=IW·x/l根据两同心圆柱面磁极间的磁导计算公式，

12、可得半径为 ra 的衔铁与内径为 D 的磁性套筒间的比磁导（单位长度的磁导）：G=20/D/2ra）于是，微分单元磁导为 gdx,x 处的微分单元磁通为 dx=Fx·gdx。此微分单元磁通匝链的线圈匝数为Wx=W·x/l，故微分单元磁链：Dx=Wxdx=(IW2gx2)/(l2)dx整个线圈的侧磁链：s=dx=IW2·gla3 /3l2整个线圈的总磁链为主磁链和侧磁链之和，即=m+x=IW2R2u0/(l- la)+ gla3 /3l2线圈的电感量：L=/I= W2R2u0/(l- la)+ gla3 /3l2由于传感器轴向气隙较大，存在磁通边缘效应，故可认为在衔

13、铁移动的一定范围内主磁通近似不变。这时，衔铁位移仅引起侧电感 Ls 变化。传感器的灵敏度：图 6 磁通作用半径修正系数49第 1、2 期袁道香：电感式位移传感器的设计KH=dL/dla=dLs/dla=W2gla2 /l2=3Ls/la式中，Ls=W2·gla3/3l2，为侧磁链引起的电感。螺管式自感传感器有以下特点：（1）由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度低，欲提高灵敏度，可提高ra/r 与 la/l，增加匝数，但受稳定性限制；（2） 从磁通分布看，只要满足主磁通不变与线圈绕组排列均匀的条件，可望得到较大的线性范围。差动自感传感器是将公共衔铁的两个相同自感传感器结合在一起的一种传感

14、器，它可以用图 7 所示，在图中，当衔铁的位移处于中间位置时，两线圈电感相等，负载 Zf 上就没有电流，此时 D7、D8 上电流 I1=I2，I=0，输出 VSC=0。当衔铁有位移时，一个自感传感器的气隙增加，另一个减小；从而使一个自感传感器的电感值减小，而另一个增大，此时 I1I2，在负载 Zf2,就产生I 和输出电压 VSC，其电流I 或输出电压大小即可表示衔铁的位移，同时衔铁移动的方向不同，输出的电压的极性亦不同，这样，根据输出电流或输出电压的大小极性，就可知道衔铁位移的大小和方向，根据磁路结构的不同，可以有各种结构形式的差动自感传感器。为了减少误差，图 7 差动自感传感器每次检测之前我

15、们都要经过调 0，当可变电阻调到中间时，两边桥臂相等即为 0 处，这时电流显示 4mA。三、总结该设计的电路模块主要包括直流稳压电源、振荡电路、电感传感器、解调器、差动放大电路、V/I 转换电路、A/D 转换电路、LED 显示电路等，结构简单，容易实现。 参考文献1 贾伯年，俞 朴. 传感器技术M. 南京：东南大学出版社，2006：68- 692 王煜东. 传感器及应用M. 北京：机械工业出版社，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