1、传感器应用论文传感器原理论文互感式传感器在智能控制中的应用摘要： 电感式传感器是利用电磁感应原理，通过线圈自感和互感的变化，实现非电量电测来进行工作的，它常用来测量位移、振动、压力、比重等物理参数。由于它具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广等特点，因此得到广泛的应用。 Abstract： Inductive sensor implements non-electric quantity electrical measurement to work through changes of coil self-induction and mutual inductance by using t
2、he theory of electromagnetic induction, and it is used to measure physical parameters such as displacement, vibration, pressure, proportion and so on. Because of its characteristics of simple structure, reliable operation, long life and wide utilization, it is widely used. 关键词： 互感式传感器; 测量电路; 应用 Key
3、words： Mutual Inductance Sensor; measuring circuit; application 中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）05-0181-02 0 引言 互感式传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化，它实际上是一个具有可动铁芯和二个次级线圈的变压器。初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电势，当互感变化时，输出屯势亦发生变化这种传感器通常都是采用差动形式，故称为差动变压器。差动变压器的结构形式分为变隙式和螺管式两种。变隙式由于行程很小，结构也较复杂，因此已很少使用，下面以目前广泛采用的
4、螺管式差动变压器进行讨论。采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。 1 工作原理 螺管式差动变压器主要由线圈框架 A、绕在框架上的一组初级线圈 W 和两个完全相同的次级线圈 W1 和 W2 及插入线圈中心的圆柱形铁芯 B 组成，如图1-a 所示。当初级线圈 W 加上一定的交流电压时，次级线圈 W1 和 W2 由于电磁感应分别产生感应电势 e1 和 e2，其大小与铁芯在线圈中的位置有关。把感应电势 e1 和 e2 反极
5、性串联（见图 1-b），则输出电势为 e0=el-e2 次级线圈产生的感应电势为 e=-M 式中 M初级线圈与次级线圈之间的互感； i流过初级线圈的激磁电流。 当铁芯在中间位置时，由于两线圈互感相等 M1=M2，感应电势 e1=e2，故输出电势 e0=0；当铁芯偏离中间位置时，由于磁通变化使互感系数一个增大，一个减小，M1M2，e1e2，所以 e00。若 M1M2，则 e1e2，反之 e1 以上分析表明，差动变压器输出电压的大小反映了铁芯位移的大小，输出电压的极性反映了铁芯运动的方向。从特性曲线看出，差动变压器输出特性的非线性得到很大改善。 2 测量电路 互感式电感传感器是将位移转换成电感（自
6、感系数）的变化，为了便于测量，还必须通过测量电路将电感的变化变成电压（或电流），以便进行放大。为此，可以采用交流电桥或采用谐振电路进行处理。差动式互感传感器常采用交流电桥。 2.1 交流电桥交流电桥由交流电源供电（图 2-a），四个桥臂可以是电阻，也可以是电容或电感，因而可以用来测量电阻、电容和电感。 如果将直流电桥中的电阻 R 用阻抗 Z 来代替，则交流电桥的平衡条件为Z1Z3=Z2Z4 若阻抗用指数形式 Z=zej?准表示，代入上式得 z1z3e=z2z4e 式中 z1、z2、z3、z4各阻抗的模； ?准 1、?准 2、?准 3、?准 4各阻抗的阻抗角。 这就是说，交流电桥平衡的条件是；相
7、对桥臂阻抗之模的乘积和阻抗角之和必须相等。因此电桥必须有两个可调参数，对幅值和相角进行平衡。 图 2-中（b）是（a）的变形，称为变压器电桥，它是从变压器次级中心抽头，把次级分为两个绕组接入电桥作为邻臂，另外两臂由差动式传感器两线圈阻抗 Z1 和 Z2 构成。因为次级绕组上下部分对称，故两部分电压相等，均为u/2。若以 d 为参考点，负载阻抗为无穷大，则输出电压为 a、c 两点的电位差，即 u=u-u=u-= 电感线圈的复数阻抗为 Z=z+jwL 时，则上式近似为 u 当衔铁处于中间位置时，1=2=0，所以 L1=L2=L0，得 u=0 当衔铁偏离中间位置使 1 增大 2 减小时，L1=L0-
8、L1、L2=L0+L2，则 u= 当衔铁向相反方向移动相等距离时，L=L+L、L=L-L，则 u=- 由此可知：电桥输出电压与两线圈电感变化量之和成正比；衔铁沿相反方向移动相同距离时，输出电压大小相等，相位相反。即输出电压的极性反映了传感器衔铁运动的方向。但交流信号要判别极性，尚需专门的判别电路（参见本部分“2.4 相敏检波电路”）。 2.2 交流电桥的调幅作用被测量经传感器变换以后，得到的是变化缓慢的微小信号，不能直接推动指示仪表和记录仪器，需要进行放大。如果用直流放大器放大，则存在漂移和级间耦合衰减的问题，有一定难度，为此通常是把缓变微小信号先变成频率适当的交流信号，然后用交流放大器再进行
9、放大。利用缓变信号控制高频振荡信号，使其随着缓变信号的变化规律而变化的过程称调制，这个高频振荡信号称载波，控制高频信号的缓变信号称调制信号，经过调制的高频信号称已调波。相反把调制成的交流信号还原成缓变信号的过程叫解调，即解调是调制的反过程。 2.3 差动整流电路差动变压器的输出是一个调幅波，为了判别衔铁移动的大小和方向，必须进行解调和滤波常用的解调电路是相敏检波电路和差动整流电路。差动整流电路是将差动变压器两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出，这样次级电压的相位和零点残余电压都不必考虑。这种电路比较简单，不需要参考电压，也不需要考虑相位调整。此外，由于经差动整流后变成直流输出，便于远距离
10、输送，因此应用广泛。 2.4 相敏检波电路当差动电感传感器的衔铁向相反方向移动相同的距离时，电桥的输出电压都为交流信号，从示波器上观察到的波形是一样的。也就是说，根据观察到的波形只能知道衔铁偏离中间位置的大小，而无法知道偏离的方向。为了判别位移的方向，必须在后续电路中配置相敏检波电路。相敏检波电路是调幅波的解调器。相敏检波电路的形式很多，过去常采用半导体二极管或三极管等分立元件来实现。随着电子技术的发展，相继出现了一些各种性能的相敏检波器件。例如 LZXl 单片集成电路，就是一种全集成化的全波相敏整流放大器，它能够把输入的交流信号经全波整流后变为直流信号，并具有鉴别输入信号的相位等功能，体积小
11、、重量轻，性能可靠、调整方便。目前集成电路元件已取代了分立元件电路。通过相敏检波电路可以得到一个大小和极性随被测信号的幅值和极性变化的电压，从而达到解调目的。但相敏检波电路的输出信号包含着被测信号和载波。为此，通常在相敏检波电路后边加一个低通滤波器，把调幅时引入的载波滤掉，从而得到放大后的被测信号，再用此信号推动指示仪表或用记录仪器把信号记录下来。 3 零点残余电压及其消除 一般经过相敏检波和差动整流后输出为脉动信号还需要通过低通滤波器把调制的高频成分滤掉，只让衔铁运动产生的有用信号通过。由于制造上的原因，如绕组尺寸、材料的选择、安装位置等，两个次级绕组不可能完全对称。当衔铁处于中间位置时，两
12、个次级的互感系数不等，使输出电压不为零，这个不平衡电压称为零点残余电压或零位输出，如图 3（a）所示。为了消除或减小零点残余电压，除在工艺上提出要求外，通常还采用补偿电路。例如可在次级加一个调零电位器 R。如图 3（b）所示，改变 R。的电刷位置，就可改变两个次级线圈感应电势的大小，从而进行有效地补偿。 4 结语 随着科学技术的不断发展，半导体、微电子技术有了迅速发展，新型或具有特殊功能的传感器不断涌现出来，检测装置也向小型化、固体化及智能化方向发展，应用领域也越加宽广。近年来，自动控制理论，计算机技术迅速发展，并应用到测量技术中，使检测仪器智能化，从而扩展了功能，提高了精度和可靠性目前研制的检测系统大多都带有微处理器，今后还将有更大的飞跃。 参考文献： 1冯凯肪.工程测试技术（第 2 版）M.西安：西北工业大学出版社，2002. 2常健生.检测与转换技术M.北京：机械工业出版社，1992. 3梁森等编.自动检测与转换技术M.北京：机械工业出版社，1999.
