现代传感器应用技术论文

本学期我选了现代传感器应用技术，通过一段时间的学习，从中了解到了许多以前不知道的事情，以下是自己通过老师的讲解所获得的一点感受。

传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。革开放20多年来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：一是建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地；二是MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；三是在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格的新产品；四是初步建立了敏感元件与传感器产业，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。因为传感器所涉及的内容很多，而我所学的知识有有限，所以本文仅就电感式传感器的原理及应用做一下简单的介绍。电感式传感器 （inductance type transducer）是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器具有以下优缺点：

（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。

　　（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。

电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。因为知识水平有限，本文主要对自感式和电感式传感器做一个详细的介绍。

1.1自感式传感器的工作原理：

自感式电感传感器属于电感式传感器的一种。它是利用线圈自感量的变化来实现测量的，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 这种传感器又称为变磁阻式传感器。

1.2自感式传感器的特点：

①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式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。常用自感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。

2.1互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。不同的是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。

3.1电涡流式传感器的工作原理：

电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。

如图所示，有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1,从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，其余皆不变，就能构成测量该参数的传感器。

3.2电涡流式传感器的分类

电涡流式传感器按用途可分为测量位移、接近度和厚度的传感器；按结构可分为变间隙型、变面积型、螺管型和低频透射型4类。

变间隙型

　　这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化，从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化。为改善性能可在线圈内加入磁芯。

变面积型

　　这种传感器由绕在扁矩形框架上的线圈构成，它利用被测导体和传感器线圈之间相对覆盖面积的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移。为补偿间隙变化引起的误差常使用两个串接的线圈，置于被测物体的两边。它的线性测量范围比变间隙型的大，而且线性度较高。

螺管型

　　这种传感器由螺管和插入螺管的短路套筒组成，套筒与被测物体相连。套筒沿轴向移动时，电涡流效应引起螺管阻抗变化。这种传感器有较好的线性度，但是灵敏度较低，具有与螺管型电感式传感器相似的特性，但没有铁损。

低频透射型

它由分别位于被测金属板材两面的发射线圈和接收线圈组成，适于测量金属板材的厚度。发射线圈L1接到振荡器上后所产生的磁力线穿过金属板M,于是在接收线圈 L2两端产生感应电压u2。由于金属板内产生电涡流使到达L2的磁力线减小。金属板的厚度δ越大，透射的磁力线越少,因而u2也就越小。u2与δ之间呈指数变化关系：u2∝e-δ/h，式中h为磁力线的贯穿深度。贯穿深度取决于激励频率，为使贯穿深度大于板材厚度，要将频率选得低些。频率低还可改善线性度。激励频率一般选在500赫左右。

3.3电涡流式传感器的应用及优点

电涡流式传感器能实现非接触式测量，而且是根据与被测导体的耦合程度来测量，因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的。 在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。 在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。

　　在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。 此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。 电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。

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