感應式傳感器被廣泛用于測量位置或速度,特別是在惡劣的環境中。然而,對許多工程師來說,感應傳感器的術語和技術可能令人困惑,本文解釋了各種類型和操作原理,以及它們的優缺點。


感應式傳感器


感應式位置傳感器和速度傳感器有各種各樣的形狀、大小和設計。所有的感應傳感器都可以說是根據變壓器原理工作的,它們都使用基于交流電流的物理現象。


19世紀30年代,邁克爾·法拉第(MichaelFaraday)第一次觀察到了這一點,當時他發現,第一個帶電流的導體可以“誘導”電流在第二個導體中流動。法拉第的發現還提供了電動機、發電機,當然還有感應位置和速度傳感器。


這類傳感器包括簡單接近開關、可變電感傳感器、可變磁阻傳感器、同步、變壓器、旋轉和線性可變差動變壓器(RVDTs&LVDT)。


各種各樣的接近傳感器


在簡單的接近傳感器(有時稱為接近開關或PROX開關)中,設備提供電能,使交流電在線圈中流動(有時稱為回路、線軸或繞組)。當導電或磁通目標,如鋼盤,接近線圈,這會改變線圈的阻抗。當通過閾值時,這將充當目標存在的信號。


接近傳感器通常用于檢測金屬目標的簡單存在或不存在,并且電氣輸出通常模擬開關。這些傳感器在許多工業應用中得到了廣泛的應用,傳統開關中的電觸點可能會出現問題,尤其是存在大量污垢或水的地方。下次你把你的車通過洗車時,你會看到很多感應式接近傳感器。


可變磁阻傳感器


可變電感和可變磁阻傳感器通常產生與導電或磁通物體(通常是鋼棒)相對于線圈的位移成比例的電信號。與接近傳感器一樣,線圈的阻抗隨目標相對于交流電的線圈的位移而變化。這類裝置通常用于測量氣缸中活塞的位移,例如在氣動或液壓系統中。所述活塞可設置為通過所述線圈的外徑。


同步器


同步器測量線圈之間的感應耦合,因為它們是相對于彼此移動的。它們通常是旋轉的,需要與運動部件和固定部件(通常稱為轉子和定子)進行電氣連接,它們可以提供極高的精度,并用于工業計量、雷達天線和望遠鏡。同步器是眾所周知的昂貴,現在越來越少,已經被(無刷)解析器所取代。這是另一種形式的感應檢測器,但電氣連接僅限于定子上的繞組。


LVDTs、RVDTs和解析器


LVDTs、RVDTs和變壓器測量線圈之間電感耦合的變化,通常稱為一次繞組和二次繞組。一次繞組將能量耦合到二次繞組中,但耦合到每個二次繞組的能量比例隨磁通目標的相對位移而變化。在LVDT中,這通常是一種通過繞組孔的金屬棒。在RVDT或解析器中,通常是相對于安裝在轉子外圍的繞組旋轉的形狀轉子或磁極件。


LVDTs和RVDT的典型應用包括航空航天副翼、發動機和燃料系統控制中的液壓伺服。變壓器的典型應用包括無刷電機換向器。


感應式傳感器的一個顯著優點是相關的信號處理電路不需要靠近感測線圈。這使得感測線圈位于惡劣的環境中,否則可能會排除其他傳感技術,例如磁性或光學,因為它們需要相對精細的硅基電子器件來定位于感測點。


應用


感應式傳感器在困難條件下運行可靠,有很長的歷史記錄。因此,它們往往是安全相關、安全關鍵或高可靠性應用的自動選擇。這類應用在軍事、航空航天、鐵路和重工業部門十分普遍。這一穩固聲譽的原因與基本物理和操作原則有關,它們一般獨立于:

●動電觸點

●溫度

●濕度、水和凝結

●外來物質,如污垢、油脂、砂礫和沙子。


優勢和弱點


由于基本操作元件纏繞線圈和金屬部件的性質,大多數感應傳感器都是非常堅固的??紤]到他們的良好聲譽,一個顯而易見的問題是:“為什么感應式傳感器不被更頻繁地使用?”原因是他們的耐用堅固既是優點也是弱點。感應式傳感器往往準確、可靠和堅固,但也大、笨重。大量的材料和對精心繞制線圈的要求使得它們生產成本高昂,特別是需要精密繞制的高精度設備。


除了簡單的接近傳感器外,對于許多主流、商業或工業應用來說,更復雜的感應傳感器價格昂貴得令人望而卻步。


感應式傳感器相對稀缺的另一個原因是,設計工程師很難對其進行詳細說明。這是因為每個傳感器通常需要單獨指定和購買相關的交流產生電路和信號處理電路。這通常需要大量的模擬電子技術和知識。


下一代設備


然而,近年來,新一代的感應傳感器已經進入市場,不僅在傳統市場上,而且在工業、汽車、醫療、公用事業、科學、石油和天然氣等領域都有著越來越大的聲譽。


新一代感應器采用與傳統器件相同的基本物理原理,但采用印刷電路板和現代數字電子學,而不是笨重的變壓器結構和模擬電子學。該方法具有良好的應用前景,包括二維和三維傳感器、短擲(<1mm)線性器件、曲線幾何圖形和高精度角度編碼器等。


印刷電路使用的傳感器可以打印在薄的柔性基板上,這也可以消除對傳統電纜和連接器的需求。這種方法的靈活性無論是從物理上還是從為原始設備制造商提供定制設計的能力,是這種新方法的一個主要優點。


與傳統的歸納技術一樣,該方法在惡劣環境下提供了可靠和精確的測量方法。還有一些重要的優點:

●降低成本

●提高準確度

●減重

●簡化機械工程,例如消除軸承,密封和襯套。

●緊湊的尺寸,特別是與傳統的LVDTs相比的行程長度。

●簡化電氣接口,通常是直流電源和絕對數字信號。


傳感器


圖像顯示了傳統的150毫米行程LVDTs及其新一代替代品,這是為一家線性執行器制造商生產的。與“節食前”和“節食后”照片的相似之處是顯而易見的。當考慮到新一代設備還包括相關的信號生成和處理電路(沒有用傳統的LVDTs顯示)時,這一點得到了加強。


作為比較,新裝置提供:

●精度提高10倍以上

●體重節省95%

●所占體積減少75%

●節省50%成本

●直接生成數字數據,從而消除了從模擬到數字轉換的需要。


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