电感式位移传感器应用电路设计

东北石油大学

课程设计

2015年7 月8日

任务书

课程传感器课程设计

题目电感式位移传感器应用电路设计

专业测控技术与仪器姓名祖景瑞学号120601240222

主要内容：

本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。电路要能够检测一定范围内位移的测量，并且能够通过LED进行数字显示。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等技术。

基本要求：

1、能够检测0~20cm 的位移；

2、电压输出为1~5V；

3、电流输出为4~20mA；

主要参考资料：

[1]贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2006：68-69.

[2]王煜东. 传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：5-9.

[3] 唐文彦.传感器[M].北京：机械工业出版社，2007: 48-50.

[4] 谢志萍.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002:80-90. 完成期限2015.7.4—2015.7.8

指导教师

专业负责人

2015年7 月1 日

摘要

测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制。

关键词：电感式传感器；自感式传感器；结构简单；成本低

目录

一、设计要求 (1)

二、方案设计 (1)

1、方案说明 (1)

2、方案论证 (1)

三、传感器工作原理 (2)

四、电路的工作原理 (4)

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (5)

1、单元电路设计 (5)

2、参数计算 (6)

3、器件选择 (6)

六、总结 (7)

参考文献 (8)

电感式位移传感器应用电路设计

一、设计要求

本设计要应用电感式传感器的原理来设计一个位移传感器的应用电路，要求能够检测能够检测0~20cm的位移；电压输出为1~5V；电流输出为4~20mA；并且能够通过LED进行数字显示，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点。

二、方案设计

1、方案说明

利用电感式传感器的原理设计一个位移传感器的应用电路，设计的总体模块主要由直流稳压电源、振荡电路、电感传感器、解调器、差动放大电路、V/I 转换电路、A/D 转换电路、LED显示电路等构成。总体设计框图如下：

图1 电感式位移传感器的设计总体框图

2、方案论证

图2为为螺管式自感传感器结构原理图。它由平均半径为 r 的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入的深度的不同将引起线圈泄露路径中磁阻变

化，从而使线圈的电感发生变化。根据磁路结构，磁通主要由两部分构成：沿轴向贯穿整个线圈后闭合的主磁通φm和经衔铁侧面气隙闭合的侧磁通φs。因气隙较大，故磁性材料的磁阻可忽略不计。

图2螺管式自感传感器原理图

侧磁通通过衔铁侧面与线圈交链，交链部分只是衔铁侧面遮盖部分的线圈。在线圈的轴向不同位置处，磁势是不同的，且交链到的线圈匝数也不一样。由图5可知离线圈端面x 处的磁势，根据两同心圆柱面磁极间的磁导计算公式，可得半径为ra 的衔铁与内径为 D 的磁性套筒间的比磁导。于是，可得微分单元磁导以及x 处的微分单元磁通。整个线圈的总磁链为主磁链和侧磁链之和。由于传感器轴向气隙较大，存在磁通边缘效应，故可认为在衔铁移动的一定范围内主磁通近似不变。这时，衔铁位移仅引起侧电感Ls 变化。

图3 磁通半径作用修正系数

三、传感器工作原理

测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传

感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。

电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。

电感式传感器的特点是：（1）无活动触点、可靠度高、寿命长；（2）分辨率和灵敏度高，能测出0.01微米的位移变化；（3）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。（4）线性度高、重复性好，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%；（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）频率响应较低，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，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和方向。

图4 自感式传感器工作原理示意图