- 感應式傳感器的工作原理
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2022/8/8
感應式傳感器通常被用來測量位置或速度，特別是在惡劣的環境中。對于許多工程師來說，感應式位置傳感器的術語和技術可能會令人困惑。在這篇文章中，Zettlex公司總經理Mark Howard解釋了各種類型的感應式傳感器，闡述了他們的工作原理，以及他們各自的優勢和弱點。
感應式位置和速度傳感器有各種各樣的形狀、尺寸和結構。所有的感應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的物理現象。1830年Michael Faraday第一次發現這個現象，他發現一個載流導體可以在另一個個導體中“感應”出電流。Faraday的發現被應用于電動機和發電機，以及感應式傳感器中用于位置和速度測量。
感應式傳感器包括簡單的接近開關、可變電感傳感器、可變磁阻傳感器、同步器、旋轉變壓器、旋轉和線性變差變壓器（RVDT和LVDT），以及新一代感應式編碼器（IncOder）。
各種類型的感應式傳感器
在一個簡單的接近傳感器（接近開關）中，傳感器電源在線圈（繞組）中產生交流電流。當一個導體或者導磁性物體，比如一個鋼盤，接近線圈時，就會改變線圈的阻抗。當到達一個閾值時，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動作。這種傳感器廣泛應用于傳統開關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，或者當你登上飛機時看看飛機起落架，你就會看到很多的感應式接近開關傳感器。
可變電感和可變磁阻傳感器通常會產生一個導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中，整個線圈外徑可以放置在活塞桿中心孔內。
同步器則是當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。線圈通常是旋轉的，并且需要在運動和靜止部件(通常稱為轉子和定子)有電氣引線。同步器可具有較高的準確度，用于工業計量、雷達天線和望遠鏡應用中。眾所周知，同步器價格非常昂貴，現在越來越少見，基本上已經被無刷旋轉變壓器取代。無刷旋轉變壓器是感應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和旋轉變壓器測量初級繞組和次級繞組之間感應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孔的金屬棒。在一個RVDT或旋轉變壓器中，通常是一個特殊形狀的轉子或磁極片，相對于沿轉子圓周布置的線圈旋轉。LVDT和RVDT的典型應用包括飛機副翼、發動機和燃油控制的液壓伺服系統中。旋轉變壓器的典型應用是無刷電機換相。
感應式傳感器的一個顯著優點是，相關信號處理電路不需要靠近感應線圈。這使得感應線圈可以位于惡劣的環境中，而其他的傳感器技術可能不適合這種環境，比如磁性或光學傳感器，因為它們要求比較脆弱的硅基電子電路位于測量點。
應用
感應式傳感器具有在極端條件下可靠工作的長期表現記錄。因此，它們通常是安全相關、安全關鍵或高可靠性應用場合的選擇。這類應用在軍事、航空航天、鐵路和重工業領域都很常見。
這種良好的聲譽與它基本的物理原理和工作原理有關，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
感應傳感器的優點和缺點
由于基本工作元件的性質，繞制線圈和金屬零件，大多數感應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“為什么感應式傳感器沒有更頻繁地使用”？原因在于，它們的結構堅固牢靠，既是一種優勢，也是一種弱點。感應式傳感器往往是準確、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準確繞制的要求，使它們的生產成本很高，尤其是高準確度傳感器，需要精密的線圈繞制。除了簡單的接近傳感器外，更復雜的感應式傳感器對于許多主流、商業或工業應用來說都是非常昂貴的。
感應傳感器應用相對少的另一個原因是，設計工程師很難明確規定。這是因為，對于每一個傳感器，通常都需要分別規定和購買相應的交流激磁信號產生和信號處理電路。這通常需要大量的模擬電路技術知識和經驗。由于年輕的工程師傾向于把重心放在數字電子電路上，他們會把這些學科視為不需要的“黑色藝術”。
新一代感應式編碼器（IncOder）
然而，近年來，一種新一代的感應式傳感器進入了市場，在傳統和主流領域贏得越來越大的聲譽。這種新一代的感應式傳感器通常被稱為感應編碼器或者稱為IncOder（inductive和encoder的字母組合)。該技術采用與傳統感應式傳感器相同的基本原理，但是采用了印刷電路板和現代數字電子線路技術，而不是笨重的變壓器結構和模擬電子線路。該技術先進、準確，同時也為感應式傳感器開辟了廣泛的應用范圍，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，包括小型旋轉編碼器和大型旋轉編碼器。
采用PCB印刷電路板技術使的傳感器能夠被印制在薄的柔性基板上，不需要傳統的電纜和連接器。這種技術的靈活性，無論是在物理結構上，還是為OEM廠商快速提供定制產品，都是一個很大的優勢。
與傳統感應式傳感技術一樣，這種技術可在惡劣的環境中提供可靠而準確的測量。另外，還有一些重要的優勢：
成本降低
準確度提高
重量減輕
簡化了機械設計，例如，取消了軸承、密封和軸襯套
結構尺寸緊湊，尤其是與傳統的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字信號輸出
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