感應(yīng)式傳感器的工作原理

感應(yīng)式傳感器通常被用來測量位置或速度，特別是在惡劣的環(huán)境中。對于許多工程師來說，感應(yīng)式位置傳感器的術(shù)語和技術(shù)可能會令人困惑。在這篇文章中，解釋了各種類型的感應(yīng)式傳感器，闡述了他們的工作原理，以及他們各自的優(yōu)勢和弱點。

感應(yīng)式位置和速度傳感器有各種各樣的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。所有的感應(yīng)式傳感器都可認為是基于變壓器原理工作的，是通過一種基于交流電流感應(yīng)的物理現(xiàn)象。1830年Michael Faraday首次發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)一個載流導(dǎo)體可以在另一個個導(dǎo)體中“感應(yīng)”出電流。Faraday的發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用于電動機和發(fā)電機，以及感應(yīng)式傳感器中用于位置和速度測量。

感應(yīng)式傳感器包括簡單的接近開關(guān)、可變電感傳感器、可變磁阻傳感器、同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)和線性變差變壓器（RVDT和LVDT），以及新一代感應(yīng)式編碼器（IncOder）。

在一個簡單的接近傳感器（接近開關(guān)）中，傳感器電源在線圈（繞組）中產(chǎn)生交流電流。當(dāng)一個導(dǎo)體或者導(dǎo)磁性物體，比如一個鋼盤，接近線圈時，就會改變線圈的阻抗。當(dāng)?shù)竭_一個閾值時，輸出一個信號，表明物體存在的一個信號。接近傳感器通常用于檢測金屬物體的存在與否，而輸出通常會模擬一個開關(guān)動作。這種傳感器廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)開關(guān)中電氣觸點會有問題的場合，尤其是存在大量灰塵或水的場合。有機會你會在汽車清洗站，或者當(dāng)你登上飛機時看看飛機起落架，你就會看到很多的感應(yīng)式接近開關(guān)傳感器。

可變電感和可變磁阻傳感器通常會產(chǎn)生一個導(dǎo)體或磁性可滲透性物體(通常是鋼棒)與線圈之間相對位移成比例的電信號。與接近傳感器一樣，線圈通以交流電流，線圈的阻抗與物體與線圈之間的相對位移成正比。這種傳感器通常用于測量活塞桿在缸體中的位移，例如在氣動或液壓系統(tǒng)中，整個線圈外徑可以放置在活塞桿中心孔內(nèi)。

同步器則是當(dāng)線圈之間有相對位移時，測量線圈之間的電磁耦合來工作的。線圈通常是旋轉(zhuǎn)的，并且需要在運動和靜止部件(通常稱為轉(zhuǎn)子和定子)有電氣引線。同步器可具有極高的準(zhǔn)確度，用于工業(yè)計量、雷達天線和望遠鏡應(yīng)用中。眾所周知，同步器價格非常昂貴，現(xiàn)在越來越少見，基本上已經(jīng)被無刷旋轉(zhuǎn)變壓器取代。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是感應(yīng)式傳感器的另一種形式，但電氣引線僅是在定子繞組上。

LVDT、RVDT和旋轉(zhuǎn)變壓器測量初級繞組和次級繞組之間感應(yīng)耦合的變化來工作的。初級繞組能量耦合到次次繞組，但是耦合到每一個次級繞組的能量與導(dǎo)磁物體的相對位移成比例。在一個LVDT中，通常是一個穿過繞組內(nèi)孔的金屬棒。在一個RVDT或旋轉(zhuǎn)變壓器中，通常是一個特殊形狀的轉(zhuǎn)子或磁極片，相對于沿轉(zhuǎn)子圓周布置的線圈旋轉(zhuǎn)。LVDT和RVDT的典型應(yīng)用包括飛機副翼、發(fā)動機和燃油控制的液壓伺服系統(tǒng)中。旋轉(zhuǎn)變壓器的典型應(yīng)用是無刷電機換相。

感應(yīng)式傳感器的一個顯著優(yōu)點是，相關(guān)信號處理電路不需要靠近感應(yīng)線圈。這使得感應(yīng)線圈可以位于惡劣的環(huán)境中，而其他的傳感器技術(shù)可能不適合這種環(huán)境，比如磁性或光學(xué)傳感器，因為它們要求比較脆弱的硅基電子電路位于測量點。

感應(yīng)式傳感器具有在極端條件下可靠工作的長期表現(xiàn)記錄。因此，它們通常是安全相關(guān)、安全關(guān)鍵或高可靠性應(yīng)用場合的首選。這類應(yīng)用在軍事、航空航天、鐵路和重工業(yè)領(lǐng)域都很常見。

這種良好的聲譽與它基本的物理原理和工作原理有關(guān)，并不受以下因素的影響:

• 移動的電觸點

• 溫度

• 濕度、水和冷凝水

• 外來異物，比如油脂、砂粒和沙子

由于基本工作元件的性質(zhì)，繞制線圈和金屬零件，大多數(shù)感應(yīng)傳感器都非常堅固耐用。考慮到它們的良好聲譽，一個明顯的問題是“為什么感應(yīng)式傳感器沒有更頻繁地使用”？原因在于，它們的結(jié)構(gòu)堅固牢靠，既是一種優(yōu)勢，也是一種弱點。感應(yīng)式傳感器往往是準(zhǔn)確、可靠和耐用的，但是也具有體積大、笨重、重量大的缺點。此外，這種大體積和對線圈精確繞制的要求，使它們的生產(chǎn)成本很高，尤其是高準(zhǔn)確度傳感器，需要精密的線圈繞制。除了簡單的接近傳感器外，更復(fù)雜的感應(yīng)式傳感器對于許多主流、商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用來說都是非常昂貴的。

感應(yīng)傳感器應(yīng)用相對少的另一個原因是，設(shè)計工程師很難明確規(guī)定。這是因為，對于每一個傳感器，通常都需要分別規(guī)定和購買相應(yīng)的交流激磁信號產(chǎn)生和信號處理電路。這通常需要大量的模擬電路技術(shù)知識和經(jīng)驗。由于年輕的工程師傾向于把重點放在數(shù)字電子電路上，他們會把這些學(xué)科視為不需要的“黑色藝術(shù)”。

然而，近年來，一種新一代的感應(yīng)式傳感器進入了市場，在傳統(tǒng)和主流領(lǐng)域贏得越來越大的聲譽。這種新一代的感應(yīng)式傳感器通常被稱為感應(yīng)編碼器或者稱為IncOder（inductive和encoder的字母組合)。該技術(shù)采用與傳統(tǒng)感應(yīng)式傳感器相同的基本原理，但是采用了印刷電路板和現(xiàn)代數(shù)字電子線路技術(shù)，而不是笨重的變壓器結(jié)構(gòu)和模擬電子線路。該技術(shù)先進、精確，同時也為感應(yīng)式傳感器開辟了廣泛的應(yīng)用范圍，包括2D和3D傳感器、短量程(小于1mm)直線傳感器、曲線幾何圖形測量，以及高精度的角度編碼器，包括小型旋轉(zhuǎn)編碼器和大型旋轉(zhuǎn)編碼器。

采用PCB印刷電路板技術(shù)使的傳感器能夠被印制在薄的柔性基板上，不需要傳統(tǒng)的電纜和連接器。這種技術(shù)的靈活性，無論是在物理結(jié)構(gòu)上，還是為OEM廠商快速提供定制產(chǎn)品，都是一個很大的優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)感應(yīng)式傳感技術(shù)一樣，這種技術(shù)可在惡劣的環(huán)境中提供可靠而精確的測量。另外，還有一些重要的優(yōu)勢：

• 成本降低

• 準(zhǔn)確度提高

• 重量減輕

• 簡化了機械設(shè)計，例如，取消了軸承、密封和軸襯套

• 結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，尤其是與傳統(tǒng)的LVDT行程相比。

• 簡化了電氣接口，典型的，采用直流電源供電和絕對式數(shù)字信號輸出

傳統(tǒng)的LVDT(上)和直線傳感器(中)，標(biāo)尺（下）

上面的圖片很好地說明了以上的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的150mm行程LVDT和新一代的替代產(chǎn)品，它是為直線作動器制造商定制的。從照片中可以看到明顯的對比。如果考慮到新一代感應(yīng)式傳感器還包括相應(yīng)的信號生成和處理電路（沒顯示出傳統(tǒng)LVDT的電路部分）時，會更有力地說明了這種優(yōu)勢。

相比之下，感應(yīng)式傳感器的優(yōu)勢為：

• 準(zhǔn)確度提高10倍以上

• 節(jié)省95%重量

• 體積減少75%

• 節(jié)省50%成本

• 直接生成數(shù)字式數(shù)據(jù)，不需要模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路