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技术白皮书感应式传感器的工作原理 Mark Howar Zettlex UK Ltd 总经理 www.

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1 电感传感器的工作原理 前言 感应式传感器通常被用来测量位置或速度,特别是在恶劣的环境中.对 于许多工程师来说,感应式位置传感器的术语和技术可能会令人困惑.在这 篇文章中,Zettlex 公司总经理 Mark Howard 解释了各种类型的感应式传感 器,阐述了他们的工作原理,以及他们各自的优势和弱点. 感应式位置和速度传感器有各种各样的形状、尺寸和结构.所有的感应 式传感器都可认为是基于变压器原理工作的,是通过一种基于交流电流感应 的物理现象.1830 年Michael Faraday 首次发现这个现象,他发现一个载 流导体可以在另一个个导体中 感应 出电流.Faraday 的发现被应用于电动机 和发电机,以及感应式传感器中用于位置和速度测量. 感应式传感器包括简单的接近开关、可变电感传感器、可变磁阻传感 器、同步器、旋转变压器、旋转和线性变差变压器(RVDT 和LVDT),以及 新一代感应式编码器(IncOder). 技术白皮书 /

2 电感传感器的工作原理 各种类型的感应式传感器 在一个简单的接近传感器(接近开关)中,传感器电源在线圈(绕组) 中产生交流电流.当一个导体或者导磁性物体,比如一个钢盘,接近线圈 时,就会改变线圈的阻抗.当到达一个阈值时,输出一个信号,表明物体存 在的一个信号.接近传感器通常用于检测金属物体的存在与否,而输出通常 会模拟一个开关动作.这种传感器广泛应用于传统开关中电气触点会有问题 的场合,尤其是存在大量灰尘或水的场合.有机会你会在汽车清洗站,或者 当你登上飞机时看看飞机起落架,你就会看到很多的感应式接近开关传感 器. 可变电感和可变磁阻传感器通常会产生一个导体或磁性可渗透性物体(通 常是钢棒)与线圈之间相对位移成比例的电信号.与接近传感器一样,线圈通 以交流电流,线圈的阻抗与物体与线圈之间的相对位移成正比.这种传感器 通常用于测量活塞杆在缸体中的位移,例如在气动或液压系统中,整个线圈 外径可以放置在活塞杆中心孔内. 同步器则是当线圈之间有相对位移时,测量线圈之间的电磁耦合来工作 的.线圈通常是旋转的,并且需要在运动和静止部件(通常称为转子和定子)有 电气引线.同步器可具有极高的准确度,用于工业计量、雷达天线和望远镜 应用中.众所周知,同步器价格非常昂贵,现在越来越少见,基本上已经被 无刷旋转变压器取代.无刷旋转变压器是感应式传感器的另一种形式,但电 气引线仅是在定子绕组上. 技术白皮书 /

3 电感传感器的工作原理 LVDT、RVDT 和旋转变压器测量初级绕组和次级绕组之间感应耦合的变 化来工作的.初级绕组能量耦合到次次绕组,但是耦合到每一个次级绕组的 能量与导磁物体的相对位移成比例.在一个 LVDT 中,通常是一个穿过绕组内 孔的金属棒.在一个 RVDT 或旋转变压器中,通常是一个特殊形状的转子或 磁极片,相对于沿转子圆周布置的线圈旋转.LVDT 和RVDT 的典型应用包括 飞机副翼、发动机和燃油控制的液压伺服系统中.旋转变压器的典型应用是 无刷电机换相. 感应式传感器的一个显著优点是,相关信号处理电路不需要靠近感应线 圈.这使得感应线圈可以位于恶劣的环境中,而其他的传感器技术可能不适 合这种环境,比如磁性或光学传感器,因为它们要求比较脆弱的硅基电子电 路位于测量点. 技术白皮书 /

4 电感传感器的工作原理 应用 感应式传感器具有在极端条件下可靠工作的长期表现记录.因此,它们 通常是安全相关、安全关键或高可靠性应用场合的首选.这类应用在军事、 航空航天、铁路和重工业领域都很常见. 这种良好的声誉与它基本的物理原理和工作原理有关,并不受以下因素 的影响: ? 移动的电触点 ? 温度 ? 湿度、水和冷凝水 ? 外来异物,比如油脂、砂粒和沙子 感应传感器的优点和缺点 由于基本工作元件的性质,绕制线圈和金属零件,大多数感应传感器都 非常坚固耐用.考虑到它们的良好声誉,一个明显的问题是 为什么感应式 传感器没有更频繁地使用 ?原因在于,它们的结构坚固牢靠,既是一种优 技术白皮书 /

5 电感传感器的工作原理 势,也是一种弱点.感应式传感器往往是准确、可靠和耐用的,但是也具有 体积大、笨重、重量大的缺点.此外,这种大体积和对线圈精确绕制的要 求,使它们的生产成本很高,尤其是高准确度传感器,需要精密的线圈绕 制.除了简单的接近传感器外,更复杂的感应式传感器对于许多主流、商业 或工业应用来说都是非常昂贵的. 感应传感器应用相对少的另一个原因是,设计工程师很难明确规定.这 是因为,对于每一个传感器,通常都需要分别规定和购买相应的交流激磁信 号产生和信号处理电路.这通常需要大量的模拟电路技术知识和经验.由于 年轻的工程师倾向于把重点放在数字电子电路上,他们会把这些学科视为不 需要的 黑色艺术 . 新一代感应式编码器(IncOder) 然而,近年来,一种新一代的感应式传感器进入了市场,在传统和主流 领域赢得越来越大的声誉.这种新一代的感应式传感器通常被称为感应编码 器或者称为 IncOder(inductive 和encoder 的字母组合).该技术采用与 传统感应式传感器相同的基本原理,但是采用了印刷电路板和现代数字电子 线路技术,而不是笨重的变压器结构和模拟电子线路.该技术先进、精确, 同时也为感应式传感器开辟了广泛的应用范围,包括 2D 和3D 传感器、短量 程(小于 1mm)直线传感器、曲线几何图形测量,以及高精度的角度编码器, 包括小型旋转编码器和大型旋转编码器. 采用 PCB 印刷电路板技术使的传感器能够被印制在薄的柔性基板上,不 需要传统的电缆和连接器.这种技术的灵活性,无论是在物理结构上,还是 为OEM 厂商快速提供定制产品,都是一个很大的优势. 与传统感应式传感技术一样,这种技术可在恶劣的环境中提供可靠而精 确的测量.另外,还有一些重要的优势: ? 成本降低 技术白皮书 /

6 电感传感器的工作原理 ? 准确度提高 ? 重量减轻 ? 简化了机械设计,例如,取消了轴承、密封和轴衬套 ? 结构尺寸紧凑,尤其是与传统的 LVDT 行程相比. ? 简化了电气接口,典型的,采用直流电源供电和绝对式数字信号输出 传统的 LVDT(上)和Zettlex 直线传感器(中),标尺(下) 上面的图片很好地说明了以上的优势,传统的 150mm 行程 LVDT 和新一 代的替代产品,它是为直线作动器制造商定制的.从照片中可以看到明显的 对比.如果考虑到新一代感应式传感器还包括相应的信号生成和处理电路 (没显示出传统 LVDT 的电路部分)时,会更有力地说明了这种优势. 相比之下,Zettlex 感应式传感器的优势为: ? 准确度提高

10 倍以上 ? 节省 95%重量 ? 体积减少 75% ? 节省 50%成本 ? 直接生成数字式数据,不需要模拟-数字转换电路 技术白皮书 /

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