一种新型的电感式位移传感器

　　0　引　言

　　目前的电感式位移传感器,无论是开磁路还是闭磁路,普遍存在着测量范围较窄的问题,并且工作时一般都是线圈固定,磁芯作相对运动,将磁芯的位移转化为线圈电感的变化,达到检测位移的目的。这些传感器线圈结构较为复杂,特别是差动电感式位移传感器,需要两个线圈,而且磁芯是在线圈内的导向管中运动,系统运作和维护都不方便。由于结构和制作工艺方面的原因,其应用场合也非常有限,如在深水中检测大位移,大多数电感式位移传感器是无能为力的[1]。新型的电感式位移传感器改变了传统电感式位移传感器的设计思想,将体积大、长度长的磁芯固定,作为定尺;结构简单、体积小的线圈作为动尺,并带有支架,以便与其它运动装置连接。这样不仅大大加宽了传感器的测量范围,而且使其安装和维护变得非常方便,适用于多种恶劣的工作环境,特别是深水中。这种新型的电感式位移传感器结构简单,安装方便,工作可靠,已成功应用于水电站门机抓梁上,能测量0~1000mm的位移,分辨率小1mm。

　　1　基本工作原理及结构

　　新型电感式位移传感器的基本工作原理是电磁感应定理。它由动尺(线圈)和定尺(磁芯)组成。和传统的电感式位移传感器不同的是,这种传感器的磁芯截面积不再是均匀不变的,而是按照一定的规律变化的,以使输出电压和位移尽可能成线性关系;线圈的结构也很简单。当线圈两端加上交流电压并在定尺上作相对运动时,由于磁芯不同位置上的截面积不同,线圈的等效电感也不同,因此回路电流将发生变化,经交流电流采样器和信号转换电路处理后,转化为0~5V的直流电压输出,可编程控制器(PLC)采样直流输出,计算处理后显示出位移值[2]。系统原理示意图如图1所示。

　　设线圈的等效电感为L,则对于具有磁芯的螺线圈,假若忽略有限长线圈内磁场强度的不均匀分布,线圈的等效电感为L[3]:

　　式中:分别为空气磁导率和磁芯的相对磁导率;N为线圈匝数;l为线圈宽度;分别为线圈和磁芯的平均半径。

　　将式(1)变为:

　　式中:U、I分别为线圈端电压和回路电流;RT为回路直流电阻,包括线路电阻和线圈内阻;ω为电源角频率;L为线圈等效电感。

　　对电流I进行采校并通过转换电路转变为0~5V直流输出,通过实验测得一组数据,绘制出电压U和位移X的关系曲线,即U-X曲线,PLC根据曲线规律作计算处理,最终显示出位移值。

　　2　实验及性能分析

　　2.1　线性化分析

　　电感式位移传感器的测量范围0~1000mm,输出为0~5V,平均每移动1mm,电压变化5 mV。从零位开始,每隔10mm记录一个电压值,总共101个点,形成电压-位移转换表,并绘制出电压-位移曲线,如图3曲线1所示。