电感式传感器的发展与应用(共6页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上电感式传感器的发展与应用* XX曌摘要：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、新工艺参考文献 吴建平 传感器原理及应用 北京：机械工业出版社，2008.10。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 孟庆斌 电感式传感器原理及在几何量计量工具检定中的应用趋势 吉林省白山市计量检定中国计量英文刊名： CHINA METROLOGY 2010(1)。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 王广林，周军晖，李云峰 刚度测试中螺管型差动式电感位移传感器的研制 仪表技术与传感器 2008(5)。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 石成英， 李忠科， 林辉， 岳开宪 电感式微位移测量仪的设计与实现 自动化仪表英文2005,26(3)。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0.01µm 刘晓， 赵辉， 刘伟文， 俞朴 深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究 传感技术学报2006,19(6) 。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 张冈李少慧秦忆一种电感式大位移传感器的理论与设计 华中理工大学学报Vol.27 No.3 1999。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 杨理践，刘佳欣，高松巍，王俊峰，谢玲 大位移电涡流传感器的设计 仪表技术与传感器 2009(2)，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-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 TIAN G Y,ZHAO Z X,BAINES R W.The search of inhomogeneity in eddy current sensors.Sensors and Actuators(A),1998(69):148-151，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 YU Y T,DU P A.Research on the correlation between measured material properties and output of eddy sensor.2005 IEEE International Conferenceon Industrial Technology, Hongkong, 2005，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 魏宝芝，邓晓 本质安全型电感式传感器的设计 电气防爆2009(1)。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 陈虎勋，田新启 电涡流传感器对被测材料敏感性的实验研究 仪表技术与传感器 2009(10)，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 王栋 电感传感器在锥轴承测量中的改型应用 合肥工业大学【硕士学位论文】、电感式转向盘扭矩传感器 季学武，刘学，孙凌玉 电动助力转向系统电感式转矩传感器的研究 传感器世界200 7,13(2)、在圆度仪中的应用 殷建，李志远 电感式传感器在圆度仪中的应用 机械工程师 2007(5)、角位移的测量 马青 论文电感式角位移传感器研制 东南大学【硕士学位论文】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 龚伟，周有庆，吴涛，王国华，彭春燕，周成林 基于PCB的平面型电流互感器性能分析及设计 仪表技术与传感器 2009(7)。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 于相斌，徐惠斌，李小奇 电感式传感器测量转换模块的设计 传感器与微系统 2010(29):3。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 石延平，刘成文，倪立学 基于非晶态合金的动态轨道衡压磁电感式应力传感器的研究 传感技术学报2009,22(12)。 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 严钟豪，谭祖根 非电量电测技术M北京：机械工程出版社，1983，122-123。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，达到测量的目的。 图1 导管端血压传感器结构2) 图2为新型的测量工具示意图。其设计是将传统的测量方法与电感传感器相结合，将测量精度提高到0.01µm级，满足了现代化机械加工测量要求。 2.1.2差动变压器传感器的应用 差动变压器式可直接用于位移测量（测微仪），如长度、内径、外径、不平度、不垂 图2 新型测量工具示意图直度、偏心、椭圆等；也可以用来测量与位移相关的任何机械量，如振动、加速度、零件的膨胀伸长、应变、移动等。下面是几个应用实例。1) 作为电感测厚仪使用。图3是电感测厚仪的结构原理图，差动变压器铁心与测厚滚轮相连，板材正常厚度值时调整差动变压器输出为零，变压器电动势输出大小的变化反映了被测板材厚度变化的大小，极性表示厚度是增加还是减小。2) 作为电感测微仪使用。采用差动变压器，桥路输出的不平衡与衔铁位移成正比，相敏输出与交流放大器输出信号成正比，相位反映了位移的方向。 图3 低频涡流测厚仪3) 作为电感压差计使用。当压差变化时，腔内膜片产生位移使差动变压器铁心产生位移，从而使次级感应电动势发生变化，因为输出电压与位移成正比，即与压差成正比，所以通过输出电压的变化可以检测差压的大小。2.1.3电涡流传感器的应用 电涡流传感器的最大特点是可以进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于测位移、测振动、测转速、测厚度、测材料、测温度、电涡流探伤等。1) 测厚。分为低频透射式涡流测厚和高频反射式涡流测厚。均利用电磁感应，根据电压的变化建立厚度与测量量的关系，达到测厚目的。有时测厚时为了客服带材的不平整或运动过程中的上下波动影响，常采用差动形式，利用变化值建立相应的关系。2) 测转速。检测转述的方式较多，图4的测量方法是在旋转体上加工或安装一个齿轮状金属，旁边安装涡流传感器，旋转体旋转时，传感器线圈与被测体距离发生周期性变化，电涡流传感器将周期的改变信号的输出，由频率计数求出转速。3) 测振动。利用电涡流传感器测量振动的方法，可对汽轮机两侧、空气压缩机旋转轴的径向振动， 图4电涡流传感器转速测量汽轮机叶片的振动进行检测。可研究轴的振动形状，作出振型图。测量方法是将多个传感器安装在轴的侧面，当轴旋转时多道记录仪可以获得每个传感器各点的瞬间振幅值，并画出轴振型图。4) 电涡流探伤。探伤时，传感器与被测金属保持距离不变，如有裂纹出现，导体的电阻率会发生变化，涡流损耗改变而引起输出电压的变化。图5为火车车轮裂纹检测的典型应用。传感器安装在火车车轮经过的测试现场，在车轮宽度的位置上排列摆放多个电涡流传感器，并在沿周长方向上也连续放置多个传感器，目的是可以保证车轮旋转一周时，是车轮表面的每个部位上都能被传感器检测到。图5 火车车轮裂纹检测2.2生产实际应用电感式传感器自身的优势与现代检测要求适应性强，并由于其结构简单，工作条件要求不高，是很多行业、研究的首选对象。近年高铁等运输行业的高速发展，使得电感式传感器的监测功能得到了大范围的扩张；磨粒检测技术的发展，也使电感式传感器得到更多关注 范红波，张英堂，陶凤和，任国全 电感式磨粒传感器中非铁磁质磨粒的磁场特性 传感器与微系统 2010( 29) 2。还有脉冲涡流检测技术，利用电涡流式电感器进行金属探伤，可以同时探测到试件不同深度的缺陷，让检测和识别表面与亚表面缺陷成了可能，另外，它具有检测成本低廉，操作简单，对人体无害和精度高等优势 徐晨曦 阙沛文 毛义梅 脉冲涡流检测系统的设计 传感器与微系统 2009( 28)6：95-97。微测量中，电感式传感器一直享有优势。微差压传感器在微流量测量、泄漏测试、洁净间测试、环境密封性检测等许多高精度测量场合应用广泛。磁性液体微差压传感器采用螺线式差动变压器工作原理，做到压力范围大，线性度好，灵敏度高，稳定可靠等优点，可以广泛应用于工业过程控制，机械制造，生物医学工程等许多领域 董国强，李德才，郝瑞参，基于铁磁性液体的微差压传感器研究 传感技术学报 2009。就我自身的专业而言，传感器的应用也融入了焊接缺陷的检测。如点焊质量的检测。利用点焊电极位移传感器原理：电极位移信息与点焊缺陷密切相关，是点焊各参数影响的综合体现，可直接用于监测焊点加工热熔化、体积膨胀、冷却收缩等过程。因此，受到广泛关注。目前，选用的传感器中有光栅式、激光式、LVCT(Linear Variable Differential Transformer)及涡流传感器。其中，光栅和激光传感器由于其使用条件相对要高，不适合监测生产现场大型设备；LVCT属于接触式传感器，易受加压过程冲击，机械反应频率较低。所以现在多使用非接触式涡流传感器 潘存海，郭士林，杜素梅，李东涛 电阻电焊过程中多传感器实时监测 仪表技术与传感器 2009(2)。 在实际生产中，电感式传感器还用于质量的监测，如铁精矿品位的监测 王丽杰，周真，牛滨，林琳 电感式铁精矿品位传感器设计 金属矿山2009(1)参考；位置检测，如电缆偏心量的检测 吕广强，王暄，赵洪 电缆偏心测量用电感传感器的优化设计 哈尔滨理工大学学报2000,5(4)、冷轧带钢连续生产线对中检测装置 杨溪林，邹凤欣，高增雪，邱忠义 电感式对中检测方法的研究 冶金自动化 2006年增刊(S2)；精度检测，如工件表面粗糙度检测 王宇 基于电感传感器零件表面粗糙度测量系统的研制 哈尔滨理工大学【硕士学位论文】、数控机床中外径大小的检测 陈姗 数控磨床外径在线检测系统研究 合肥工业大学【硕士学位论文】等。3. 展望现代科学研究以及生产实践对“检测、监测”越来越重视，而传感器的应用，为监测和检测提供了有效的手段。而电感式传感器的诸多优势（结构简单、工作条件不高、非接触性测量等）使得它在科研和实际应用上均有广阔前景。近期的研究多围绕磁悬浮控制技术、磨粒检测技术、低频振动检测、探伤等进行，这些技术均在蓬勃发展，对电感式传感器的要求必将进一步提高。现在研究已经有意识的将电感式传感器的互换性能、与虚拟仪器的结合性、与单片机的配合使用都讨论进来，可见，电感式传感器的应用将更加智能化，得出的测量结果将更加直观。相信在今后的发展中，电感式传感器定会应用更加广泛。专心-专注-专业