發布日期：2022-10-09 點擊率：1966
原標題：一文讀懂電感式傳感器
文 | 傳感器技術（WW_CGQJS）
電感式傳感器被大量應用在各行各業。特別是機床行業，以及汽車制造等行業更是應用廣泛。
電感式傳感器
利用電磁感應原理將被測非電量轉換成線圈自感系數或互感系數的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。
電感式傳感器是利用線圈自感或互感的改變來實現測量的一種裝置。通常由振蕩器、開關電路及放大輸出電路三大部分組成。其結構簡單，無活動電觸點，工作壽命長。而且靈敏度和分辨力高，輸出信號強。線性度和重復性都比較好，能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。可以測量位移、振動、壓力、流量、比重等參數。
電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被測量轉換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。
電感式傳感器的特點
（1）結構簡單：沒有活動的電觸點，壽命長。
（2）靈敏度高：輸出信號強，電壓靈敏度每毫米能達到上百毫伏。
（3）分辨率大：能感受微小的機械位移與微小的角度變化。
（4）重復性與線性度好：在一定位移范圍內，輸出特性的線性度好，輸出穩定。
（5）電感式傳感器的缺點是存在交流零位信號，不適宜進行高頻動態測量。
電感式傳感器的類型
電感式傳感器可分為自感式傳感器、差動變壓式傳感器和電渦流傳感器三種類型。
自感式傳感器
1、自感式傳感器的結構
自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯與銜鐵由硅鋼片或坡莫合金等導磁材料制成。
自感式傳感器結構圖
2、自感式傳感器的工作原理
自感式傳感器是把被測量變化轉換成自感L的變化，通過一定的轉換電路轉換成電壓或電流輸出。
傳感器在使用時，其運動部分與動鐵心（銜鐵）相連，當動鐵芯移動時，鐵芯與銜鐵間的氣隙厚度 δ 發生改變，引起磁路磁阻變化，導致線圈電感值發生改變，只要測量電感量的變化，就能確定動鐵芯的位移量的大小和方向。
自感式傳感器的工作原理示意圖
當線圈匝數N為常數時，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數，只要改變δ 或S均可導致電感變化。因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙δ厚度的傳感器和變氣隙面積S的傳感器。
如果S保持不變，則L為 δ 的單值函數，可構成變氣隙型自感傳感器；如果保持δ 不變，使S隨位移而變，則可構成變截面型自感傳感器；如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，自感量將相應變化，就構成了螺線管型自感傳感器。
變氣隙式自感傳感器
變氣隙式自感傳感器結構
變面積式自感傳感器
變面積式自感傳感器結構
由于漏感等原因，其線性區范圍較小，靈敏度也較低，因此，在工業中應用得不多。
螺管式自感傳感器
傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺管線圈電感量的變化。
對于長螺管線圈l>>r，當銜鐵工作在螺管的中部時，可以認為線圈內磁場強度是均勻的，線圈電感量L與銜鐵的插入深度l大致上成正比。
螺管型電感傳感器
這種傳感器結構簡單，制作容易，靈敏度較低，適用于測量較大的位移量。
3、差動式自感傳感器
由于線圈中通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動和附加誤差，而且非線性誤差較大。外界的干擾、電源電壓頻率的變化、溫度的變化都會使輸出產生誤差。
在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸要求完全相同。
這種結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差，可以減小測量誤差。
a、差動式自感傳感器的結構
(a)變氣隙式； （b）變面積式； （c）螺管式差動式自感傳感器
b、差動式自感傳感器的特點
差動氣隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈1、2和磁路組成。
測量時，銜鐵通過測桿與被測位移量相連，當被測體上下移動時，導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發生大小相等，方向相反的變化，導致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。
自感系數特性曲線如圖所示。
自感系數特性曲線圖
差動變壓器式傳感器
把被測的非電量變化轉換為線圈互感量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制成的，把被測位移量轉換為一次線圈與二次線圈間的互感量變化的裝置。
當一次線圈接入激勵電源后，二次線圈就將產生感應電動勢，當兩者間的互感量變化時，感應電動勢也相應變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。
1、差動變壓器的結構
差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管線等。
a、b兩種結構的差動變壓器，銜鐵均為板形，靈敏度高，測量范圍則較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機械位移。
(a)、(b)變間隙式差動變壓器
對于位移在1mm至上百毫米的測量，常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動變壓器，如c、d兩種結構。
(c)、(d)螺線管式差動變壓器
e、f兩種結構是測量轉角的差動變壓器，通常可測到幾秒的微小位移。?非電量測量中，應用最多的是螺線式差動變壓器，它可以測量范圍內的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優點。
(e)、(f)變截面式差動變壓器
2、差動變壓器的工作原理
差動變壓器的結構由鐵芯、銜鐵和線圈三部分組成。其結構雖有很多形式，但其工作原理基本相同。
差動變壓器上下兩只鐵芯均有一個初級線圈1和一個次級線圈2。上下兩只初級線圈串聯后接交流激勵電壓，兩只次級線圈則按電勢反相串接。
三段式螺管差動變壓器結構示意圖
將兩個匝數相等的次級繞組的同名端反向串聯，當初級繞組加以激磁電壓時，根據變壓器的作用原理在兩個次級繞組和中就會產生感應電勢;
如果工藝上保證變壓器結構完全對稱，則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，輸出電壓為零。
當活動銜鐵向某一個次級線圈方向移動時，則該次級線圈內磁通增大，使其感應電勢增加，差動變壓器有輸出電壓，其數值反映了活動銜鐵的位移。
三段式螺管差動變壓輸出電壓曲線如圖所示。
差動變壓器輸出電壓曲線
電渦流式傳感器
1、電渦流式傳感器的結構
電渦流式傳感器結構比較簡單，主要由一個安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構成。
電渦流傳感器的內部結構
2、電渦流式傳感器的工作原理
根據法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，稱之為電渦流或渦流，這種現象稱為渦流效應。
電渦流傳感器是利用電渦流效應，將位移、溫度等非電量轉換為阻抗的變化或電感的變化從而進行非電量電測的。?目前生產的變間隙位移傳感器，器量程范圍為300m～800mm。
電渦流式傳感器示意圖
將塊狀金屬導體置于通有交變電流的傳感器線圈磁場中。根據法拉第電磁感應原理，由于電流的變化，在線圈周圍就產生一個交變磁場，當被測導體置于該磁場范圍之內，被測導體內便產生電渦流，電渦流也將產生一個新磁場，和方向相反，抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因素發生變化。
電感式傳感器的應用
1.電感式滾柱直徑分選裝置
電感式滾柱直徑分選裝置實物
電感式滾柱直徑分選裝置結構原理
2. 變氣隙式差動電感壓力傳感器
變氣隙式差動電感壓力傳感器主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。
變氣隙式差動電感壓力傳感器
3、其他應用
電感式傳感器還可以應用于磨加工主動測量、測量長度位移量和制做電子測微儀。
4、差動變壓器式傳感器
可以直接用于位移測量，也可測量與位移有關的任何機械量，如力、力矩、壓力、壓差、振動、加速度、應變、液位等。
力和力矩的測量
差動變壓器式力傳感器
壓力測量
1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動變壓器 6 銜鐵 7 罩殼
這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。
加速度傳感器
用于測定振動物體的頻率和振幅時其激勵頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結果。可測量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。
5、電渦流式傳感器的應用
電渦流式傳感器具有測量范圍大、靈敏度高、結構簡單、抗干擾能力強和可以非接觸測量等優點，被廣泛應用于工業生產和科學研究各個領域中。
電磁爐
電磁爐是我們日常生活中必備的家用電器之一，渦流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過勵磁線圈，產生交變磁場；在鐵質鍋底會產生無數的電渦流，使鍋底自行發熱，燒開鍋內的食物。
電磁爐工作示意圖
電渦流探雷器
電渦流式接近開關
能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內檢測有無物體靠近。當物體接近到設定距離時，就可發出“動作”信號。接近開關的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。這種接近開關只能檢測金屬。
利用新材料更優異的性能來提高電感式傳感器的性能是未來發展趨勢之一。例如電感式接近開關其內部結構是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設計理念下發展，那么只能尋找新材料用來替代鐵氧體線圈，從而生產出有更好性能的傳感器。
基于MEMS硅微加工技術，電感式傳感器具有體積小、低功耗等特點，易于集成在各種模擬和數字電路中，便于在應用在各個領域。這也是所有傳感器的主要發展方向之一。
電感式傳感器發展的另一大特點是向著集成化、智能化方向發展。集成傳感器優勢明顯，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上，使之具有校準、補償、自診斷和網絡通信的功能，它可降低成本、增加產量。
本篇文章為傳感器技術平臺原創文章，轉載需聯系我們授權！未經允許轉載我們將進行投訴！
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責任編輯：
在信息采集系統中，傳感器通常處于系統前端，即檢測和控制系統之首，它提供給系統處理和決策所必需的原始信息，因此，傳感器的精度對整個系統是至關 重要的。在位移、速度及加速度的測量中，經常使用差動變壓器式傳感器，原因是其靈敏度高、線性好且有配套集成電路，但傳統的LVDT傳感器對工作電源的穩 定性和精度要求太高，且電路板大都由分離元件搭接而成，極易產生松脫和受潮變質現象，從而影響傳感器的使用壽命和整體性能。本文介紹一種基于AD598信 號處理芯片的LVDT直線位移傳感器，并通過實例對其誤差和精度進行探討。
1 基本原理
差動變壓器式傳感器是利用線圈的自感或者互感的變化來實現測量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。本文采用的變氣隙式差動變壓器式電感傳感器是利用互感的變化來工作的。
1.1 基本結構及工作原理
上下2只鐵芯上均有1個勵磁線圈和1個輸出線圈。上下2個勵磁線圈串聯后接交流勵磁電源電壓Uin，2個輸出線圈則按電勢反向串聯。忽略高階無窮小量，當ωR(ω為交流勵磁電源電壓Uin的頻率，R為勵磁線圈的等效電阻)時，可推導出
式中：Uin為勵磁電源電壓(單位V);Uout為輸出電壓(單位V);N1，N2分別為勵磁線圈和輸出線圈的匝數;△δ為軸偏移平衡位置的距離(單位mm);δ占為軸處于平衡位置時的氣隙大小(單位mm)。
當軸處于中間位置時，δ1=δ2=δ，勵磁線圈中產生交變磁通φ1和φ2，在輸出線圈中便產生交流感應電勢。由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所 以，φ1=φ2，輸出線圈中感應出的電勢E21=E22，由于次級是按電勢反向連接的，輸出電壓Uout=0。當軸偏離中間位置時，兩邊氣隙不等(即 δ1≠δ2)，輸出線圈中感應的電勢不再相等(即E21≠E22)，便有電壓Uout輸出。Uout的大小及相位取決于軸的位移大小和方向。
1.2 輸出特性方程
設差動變壓器原邊激勵電壓為Ep、角頻率為ω、電流為Ip、電感為Lp、等效電阻為Rp。副邊電壓分別為E21、E22，互感為M1、M2。若忽略磁滯渦流及耦合電容的影響，可以得出：
2 傳感器測量電路
AD598是由Analog Device推出的新型LVDT專用信號處理芯片，原理圖如圖2所示。由圖可知，該芯片主要包含兩部分：一部分為正弦波發生器，它的頻率及幅值均可由少數 外接元件確定;另一部分為LVDT次級的信號處理部分。通過這一部分產生一個與鐵芯位移成正比的直流電壓信號。AD598可驅動高達24 V，頻率范圍為20Hz～20 kHz的LVDT原邊線圈，又可接受最低為100 mV的次級輸入，所以適用于許多不同類型的LVDT。
3 測量系統誤差分析
測量系統的誤差按來源也可分為固定誤差和隨機誤差兩大類。
3.1 固定誤差
固定誤差指差動變壓器結構(加工精度)和材料(磁滯渦流)所造成的誤差。這是系統論證時要結合測量的精度要求及經濟指標綜合考慮的。系統一旦確定下來這些因素一般是不能改變的。
3.2 隨機誤差
隨機誤差按誤差來源可以分為由激勵源的波動引起的誤差和由相敏檢波引起的誤差。由于AD598把振蕩器，LVDT和相敏解調器封裝在一起，不但提高 了產品的集成度，而且大大減少了外圍元件的個數，使傳感器的性能得到大幅提高，因此，在本文中就不對相敏檢波引起的誤差進行推導了。
傳感器與檢測技術 董春利 主編 潘洪坤 執筆 大連職業技術學院電氣電子工程系 2008年3月 第四章 電感式傳感器 4.1 自感式電感傳感器 4.2 差動變壓器式傳感器 4.3 電渦流式傳感器 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，這種裝置稱為電感式傳感器。 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、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應低，不適用于快速動態測量。 這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業自動控制系統中被廣泛采用。 第一節 自感式電感傳感器 一、氣隙型自感傳感器 1．氣隙型傳感器的工作原理 公式： 表明，當線圈匝數為常數時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數，只要改變δ或S均可導致電感變化。 因此，氣隙型傳感器又分為變氣隙厚度δ的變間隙式傳感器和變氣隙面積Ｓ的變面積式傳感器 使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式變間隙式電感傳感器。 2．氣隙型傳感器的輸出特性 （2）變面積式傳感器的輸出特性 變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。 3．變間隙式傳感器的結構 二、螺管型自感傳感器 1．螺管型自感傳感器的原理 2．螺管型自感傳感器的輸出特性 螺管式自感傳感器的特點： ①結構簡單，制造裝配容易； ②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； ③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾； ④由于磁阻高，為了達到某一自感量，需要的線圈匝數多，因而線圈分布電容大； ⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩定，否則影響其線性和穩定性。 三、自感式傳感器的測量電路 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。 四、自感式傳感器的應用 1．變隙電感式壓力傳感器 變隙電感式壓力傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。 當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發生移動，從而使氣隙發生變化，流過線圈的電流也發生相應的變化，電流表指示值就反映了被測壓力的大小。 2．變隙式差動電感壓力傳感器 變隙式差動電感壓力傳感器，是由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。 當被測壓力進入C形彈簧管時，C形彈簧管產生變形，其自由端發生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2中的電感發生大小相等、符號相反的變化，即一個電感量增大，另一個電感量減小。 第二節 差動變壓器式傳感器 把被測的非電量變化轉換為線圈互感量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制成的，并且次級繞組都用差動形式連接，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，但其工作原理基本一樣。非電量測量中，應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm范圍內的機械位移，并具有測量精度高，靈敏度高，結構簡單，性能可靠等優點。 一、差動變壓器式傳感器工作原理 螺線管式差動變壓器由初級線圈，兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。 螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節、二節、三節、四節和五節式等類型。 一節式靈敏度高，三節式零點殘余電壓較小，通常采用的是二節式和三節式兩類。 二、差動變壓器式傳感器的基本特性 特性分析的結論 ： 零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。 零點殘余電壓的波形十分復雜，主要由基波和高次諧波組成。 基波產生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數和幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢的幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。 高次諧波中起主要作用的是三次諧波，產生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應設法減小Ux，否則將會影響傳感器的測量結果。 二、差動變壓器式傳感器的基本特性 消除零點電壓的方法 ： 1）盡可能的保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數和磁路的對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。 2）選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路，既可判別銜鐵移動方向又可以改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 3）采用補償線路，減小零點殘余電動勢。如：在差動變壓器二次側，串并聯適當數值的電阻電容元件，當調整這些元件時，可是零點殘
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2022中國工業自動化展，2022東莞工業物聯網展覽會
新物聯號：展會宣傳張 2021-11-19 共有: 10 瀏覽
展會名稱：CMM工業自動化&工業裝配與傳輸技術展，同期展會：東莞國際芯片及半導體產業博覽會Chips&SemiconS。
CMM電子制造自動化&資源展
2022中國電子制造自動化設備展覽會
新物聯號：展會宣傳張 2021-11-19 共有: 19 瀏覽
展會名稱：CMM電子制造自動化&資源展，同期展會：東莞國際芯片及半導體產業博覽會Chips&SemiconS。CMM電子制造自動化&資源展全面展示智能制造生產過程中的自動化、制造環境、品管技術、工裝夾具、過程材料、智能倉儲、信息化技術等資源，以滿足電子工廠在智能制造轉型道路上的各類需求。
IIOTC工業物聯網&工業自動化展
2022東莞半導體芯片展|材料展|封裝測試|設備展
新物聯號：展會宣傳張 2021-11-19 共有: 34 瀏覽
展會名稱：東莞國際芯片及半導體產業博覽會，同期舉辦：CMM電子制造自動化&資源展、IIOTC工業物聯網&工業自動化展。
科技引領綠色發展，2021河北·中日節能環保科技發展高峰云論壇將于11月24日線上舉辦
新聞來源：2021河北中日節能環保科技發展高峰云論壇 2021-11-19 共有: 44 瀏覽
為落實黨和國家關于經濟結構升級、綠色轉型、可持續發展等戰略部署，進一步落實河北省產業轉型升級、構建京津冀生態環境共同體的戰略布局，“科技引領綠色發展，2021河北·中日節能環保科技發展高峰云論壇”將于11月24日在線上隆重召開。
2022北京第十五屆物聯網展覽會
新物聯號：靜文 2021-11-19 共有: 30 瀏覽
目前我國AIOTE智能物聯網行業經濟體量已達2萬億元，行業規模正在超預期增長，國內物聯網及相關企業超過3萬家，其中中小企業占比超過85%。AIOTE智能物聯網在各行各業的應用不斷深化，將催生大量的新技術、新產品、新應用、新模式。未來巨大的市場需求將為物聯網相關企業帶來難得的發展機遇和廣闊的發展空間。
區塊鏈錢包imtoken錢包簡介說明
新聞來源： 2021-11-21 共有: 29 瀏覽
在虛擬資產區塊鏈錢包里，IMtoken是非常出名的。這款區塊鏈錢包的安全性級別是非常高的，它設立了多重簽名可以有效防盜，還支持多種錢包類型，資產狀況一目了然，操作也非常簡單。imToken是一款區塊鏈數字資產管理工具，為用戶提供安全、可信賴的數字資產管理服務。
智慧停車反向尋車藍牙信標室內導航定位原理及系統功能
新物聯號：極光通信 2021-11-21 共有: 9 瀏覽
在覆蓋藍牙信標的區域，藍牙信標周期性地廣播IBeacon信號，手機接收到信號后，通過本地算法根據信號的強弱，生成手機所在位置的特征值，并根據特征值生成終端的位置信息。使用手機終端的用戶在不同位置接收到的藍牙信號的特征值不同，通過對比系統生成的特征值與接收到的特征值進行比對，從而判斷用戶所在的位置。
元宇宙概念meta由來及發展狀況
新聞來源：新物聯Newiot 整理 2021-11-21 共有: 16 瀏覽
最近，元宇宙概念由于Facebook加入，炒的更加火熱。元宇宙（metaverse）一詞，誕生于1992年的科幻小說《雪崩》，小說描繪了一個龐大的虛擬現實世界，在這里，人們用數字化身來控制，并相互競爭以提高自己的地位，到現在看來，描述的還是超前的未來世界。 元宇宙是在擴展現實（XR）、區塊鏈、云計算、數字孿生等新技術下的概念具化。
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