電感式傳感器

電感式傳感器利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、 振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化, 再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出。

電感式傳感器具有結構簡單, 工作可靠, 測量精度高, 零點穩定, 輸出功率較大等一系列優點, 其主要缺點是靈敏度、線性度和測量範圍相互制約, 傳感器自身頻率響應低, 不適用於快速動態測量。

電感式傳感器種類很多，常見的有自感式傳感器，互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。

電感式傳感器的工作原理是電磁感應。它是把被測量如位移等，轉換為電感量變化的一種裝置。按照轉換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種 ^[2]  。

當一個線圈中電流i變化時，該電流產生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產生感應電勢e，這種現象稱之為自感。產生的感應電勢稱為自感電勢。變磁阻式傳感器的結構如圖1所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金製成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

特點：變磁阻式傳感器具有很高的靈敏度，這樣對待測信號的放大倍數要求低。但是受氣隙δ寬度的影響，該類傳感器的測量範圍很小。

可變磁阻式傳感器自感

自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導磁截面積S0成正比。

靈敏度S與氣隙長度δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度S愈高。為了減小非線性誤差，在實際應用中，一般取。這種傳感器適用於較小位移的測量，一般約為0.001～1 mm。

互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應中的互感現象，將被測位移量轉換成線圈互感的變化。由於常採用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。

差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應鐵芯位移的大小，而不能反應移動的極性；同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘餘電壓，使活動銜鐵位於中間位置時，輸出也不為零。因此，差動變壓器式傳感器的後接電路應採用既能反應鐵芯位移極性，又能補償零點殘餘電壓的差動直流輸出電路。

把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理製成的，並且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。變隙式傳感器的結構原理如圖2所示。

圖2中r1a與L1a , r1b與L1b , r2a與L2a , r2b與L2b，分別為W1a , W1b , W2a, W2b繞阻的直流電阻與電感。

金屬導體置於變化着的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流像水中旋渦一樣在導體轉圈，這種現象稱為渦流效應。電渦流式傳感器結構示意圖如圖3所示。 根據法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置於此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。

電感式傳感器分為 3 種類型：改變氣隙厚度 δ 的自感傳感 器，即變間隙式電感傳感；改變氣隙截面 S 的自感傳感器，即 變截面式電感傳感器；同時改變氣隙厚度 δ 和氣隙截面 S 的自 感傳感器，即螺管式電感傳感器。

這種傳感器的氣隙 δ 隨被測量的變 化而改變，從而改變磁阻。 它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增 大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧． δ 一般取在 0． 1 ～ 0． 5 毫 米之間。

這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的 相對覆蓋面積( 即磁通截面) 隨被測量的變化而改變，從而改 變磁阻． 它的靈敏度為常數，線性度也很好。 螺管插鐵型電感傳感器。 它由螺管線圈和與被測物體相連 的柱型銜鐵構成。其工作原理基於線圈磁力線泄漏路徑上磁阻 的變化。 銜鐵隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳 感器的量程大，靈敏度低，結構簡單，便於製作。

它由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構成。其工作原理基於線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結構簡單，便於製作。

傳感器作為採集和獲取信息的工具，對系統的自動化檢測和質量監測起着重要作用。電感式傳感器是一種互感式電感傳感器，它可將微小的機械量，如位移、振動、壓力造成的長度、內徑、外徑、不平行度、不垂直度、偏心、橢圓度等非電量物理量的幾何變化轉換為電信號的微小變化，轉化為電參數進行測量，是一種靈敏度較高的傳感器，具有結構簡單可靠、輸出功率大、抗阻抗能力強、對工作環境要求不高、穩定性好等一系列優點，因而被廣泛應用於各種工程物理量檢測與自動控制系統中 ^[3]  。

比如:用電感式位移傳感器提高軸承製造的精度；用電感測微儀測量微小精密尺寸的變化；實現液壓閥開口位置的精準測量；用於設計智能紡織品的柔性傳感器；用電感傳感器原理的孔徑錐度誤差測量儀；用電感傳感器檢測潤滑油中磨粒；用電感傳感器監測吊具導向輪等等 ^[4]  。

電感傳感器還可用作磁敏速度開關、齒輪齡條測速等，該類傳感器廣泛應用於紡織、化纖、機牀、機械、冶金、機車汽車等行業的鏈輪齒速度檢測，鏈 輸送帶的速度和距離檢測，齒輪齡計數轉速錶及汽車防護系統的控制等。另外該類傳感器還可用在給料管系統中小物體檢測、物體噴出控制、斷線監測、小零件區 分、厚度檢測和位置控制等。

電感式位移傳感器利用導線製成特定的線圈繞組，根據其位移量的變化而使繞組線圈的白感量或是互感量發生變化來進行位移測量，因此根據其轉換原理電感式位移傳感器可分為自感型和互感型兩大類。

電感式位移傳感器是一種機電轉換裝置，在現代工業生產科科學技術上，尤其是在白動控制系統、機械加工與測量行業中應用十分廣泛 ^[5]  。

(1) 結構簡單，可靠；

(2) 靈敏度高，最高分辨力達0.1μm ；

(3) 測量精確度高，輸出線性度可達±0.1% ；

(4) 輸出功率較大，在某些情況下可不經放大，直接接二次儀表。

(1) 傳感器本身的頻率響應不高，不適於快速動態測量；

(2) 對激磁電源的頻率和幅度的穩定度要求較高;

(3) 傳感器分辨力與測量範圍有關，測量範圍大，分辨力低，反之則高。

(1) 方案選擇

在選擇方案之前應首先弄清給定的技術指標，如示值範圍、示值誤差、分辨力、重複性誤差、時漂、温漂、使用環境等。

(2) 鐵心材料的選擇

鐵心材料選擇的主要依據是要具有較高的導磁係數，較高的飽和磁感應強度和較小的磁滯損耗，剩磁 和矯頑磁力 都要小。另外，還要求電阻率大，居里點温度高，磁性能穩定，便於加工等。常用導磁材料有鐵氧體、鐵鎳合金、硅鋼片和純鐵。

(3)電源頻率的選擇

提高電源頻率有下列優點：能提高線圈的品質因數；靈敏度有一定的提高；適當提高頻率還有利於放大器的設計。但是，過高的電源頻率也會帶來缺點，如鐵心渦流損耗增加；導線的集膚效應等會使靈敏度減低；增加寄生電容（包括線圈匝間電容）以及外界干擾的影響。

1、檢測距離的衰減性。滑翹為鐵質，適合電感式傳感器檢測；而滑翹被測部分的尺寸略小於標準檢測物尺寸（標準被測物尺寸為3倍額定檢測距離，此應用中，標準尺寸應為120*120mm），這樣的話就會有一定的衰減。

2、現場抗干擾能力。這個是不容忽視的問題，普通電感式傳感器容易被電機或變頻器干擾，很多技術人員只對在此附近的應用選擇相應強抗電磁干擾的傳感器。但在汽車製造車間，廠房大，現場技術人員習慣使用對講機溝通，尤其是邊走邊用對講機對話時，會不經意的靠近傳感器，導致短暫失效。

3、安裝方面。隨着電感式傳感器的普及，傳感器不僅僅在電氣性能方面有所提升，其機械方面的設計也越來越人性化。要在最大程度的實現人性化安裝。減少了多種近似產品的備貨和減少了安裝、維護的時間。

4、穩定運行的保障。在車廠的使用中，要杜絕任何油污、塵污的侵蝕。另外，滑翹經過軌道時，震動是長期存在的，優異的抗震動性同樣是有着非常重要的作用 ^[6]  。