摘要：文章介绍了电感式传感器的原理及使用，并对常见的三种电感式传感器进行对比分析，最后通过工程中轴承滚珠分选实例论述了涡流式传感器的设计思路。
关键词：电感式传感器；滚珠分选；涡流式传感器
1 前言
传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成了一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。传感器在产品检验和质量控制、系统安全经济运行监测、自动化生产与控制系统的搭建和推动现代科学技术的进步等方面均具有重要意义。
2 电感式传感器的原理与分类
传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用于输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。可以完成检测和转换两个基本功能。
2.1工作原理
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，把输入的物理量转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化，并通过测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化，从而将非电量转换为电信号输出，实现对非电量的测量。目前普遍采用交流电桥作为电感式传感器的测量转换电路，将传感器的电感改变转换为交流电压信号，经放大后向外输出[1]。
2.2分类
电感式传感器按照转换方式的不同，可分为可变磁阻式（自感式）、差动变压器式和涡流式（互感式）等种类。
（1）变磁阻式传感器
变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。在铁心和衔铁间有气隙，当衔铁移动时气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。通过测量电感量的变化就能确定衔铁位移量的大小和方向。变磁阻式传感器主要用于测量微小位移，实际测量中广泛采用差动变隙式电感式传感器。
（2）差动变压器式传感器
差动变压器式传感器是互感式传感器，其工作原理是利用电磁感应，将被测位移量的变化转换成变压器线圈的互感系数的变化，再由测量电路转成电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量的转换。工业检测中，应用最为普遍的传感器是线性差动变压器（LVDT），用于测量机械位移，汽轮机主汽阀行程测量就是使用的LVDT，具有分辨率高、重复性高、线性度高、灵敏度高、使用寿命长且可靠性好等优点。
（3）电涡流式传感器
电涡流式传感器是互感式传感器，利用金属导体在交变磁场中的涡流效应进行工作。能对位移、厚度、表面温度、速度、应力和材料损伤等进行非接触式连续测量，具有体积小、灵敏度高和频带响应宽等特点。
涡流传感器的敏感元件是线圈，其工作原理是采用电磁感应原理，通过一个高频信号源产生高频电压，将这个高频电压施加在电涡流传感器探头内的电感线圈上，这样电感线圈就会产生高频磁场，如果在这个交变的高频磁场范围内有被测导体存在，当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变 [2]。
3 电感式传感器的应用实例
工程中轴承的滚珠需要进行测量和分选，把不满足公差要求的不合格产品剔除，把满足要求的滚珠进行分选，分别放置在不同的料箱中。并要求把分选统计的结果通过计算机自动显示出来。根据电感式传感器的基本原理和性能特点，选用涡流式传感器，可以达到无接触式测量。
为了适应不同大小滚珠的分选，系统设计中选用相对测量法，即先用标准钢珠对零，然后测量，测量值为被测滚珠与标准钢珠间的偏差值。滚珠分选是通过不同的控制信号，打开不同的电磁阀，使垫片落人不同的区域实现的[3]。
基本设计思想：通过硬件设计通道和安装传感器，采集到相关数据；通过软件进行相应的选择和判断设置，再配合硬件实现分选工作。
3.1 硬件设计
设置主通道倾斜10~30°，以便于滚珠可以自行滚动，在主通道旁边隔一定的距离设置几个分通道，分通道与主通道用旋转开关加以隔离。传感器的安装有两种设计方案：方案1，在通道的两侧安装两个电涡流式传感器，与标准滚珠的直径在同一高度；方案2，在通道的上方安装一个涡流传感器，并在主通道前部设置一个开关，涡流传感器的中心与开关的距离是定值 ，有滚珠到来的信号时，开关关闭，挡住滚珠，上方的涡流传感器从左到右移动，测出滚珠此时直径 的最大值，与经过换算满足要求的 进行比较，满足要求的根据软件设置，分别流入对应的通道。考虑到可操作性和准确性，这里选择的是方案2，如图1所示。
3.2 软件设计
把传感器测得的每组数据进行比较，挑选出其中的最大值 ；与满足条件的转换直径 进行比较，进行相应的操作；并且完成相应的计数功能，输出到计算机的显示屏幕上，方便工人的操作。具体操作流程图：
图1 通道示意图 图2 流程图
当滚珠滚至主通道的某一位置时，打开主通道上的第一个开关，用传感器进行测量一组数据，传入计算机，经过软件设计，判断其是否是合格产品；若不是合格产品，则打开废品通道；若是合格产品，则判断其在哪一个直径范围，若满足直径1，则打开通道1的旋转开关，旋转开关1打到主通道上，挡住滚珠沿主通道往下滚动，使滚珠进入通道1，流入相应的货厢中；若满足直径2，则打开通道2的旋转开关，旋转开关2打到主通道上，使滚珠流入通道2进入相应的货厢中；依次进行，可完成对滚珠的分选工作。
4 结语
电感式传感器通过电磁感应原理，把非电量转换为电信号输出，特别是电涡流式传感器可用于对金属元件的无损检测，具有灵敏度高和频带响应宽等特点，应用十分广泛。从传感器的发展趋势来讲，智能化、微型化、集成化、多功能以及与计算机紧密结合所形成的传感器网络都将作为未来传感器的发展方向。
参考文献：
[1]于相斌，徐惠斌，李小奇.电感式传感器测量转换模块的设计[J].传感器与微系统，2010，29（3），77-79.
[2]昌学年，姚 毅，闫玲.位移传感器的发展及研究[J].计量与测试技术，2009,36（9）：42-44.
[3]陈旭武，纪 鹏，姚俊武.滚珠分选仪的智能化设计[J].中国仪器仪表，2004（2）：8-9.
作者简介及联系方式：
姚肖方，硕士研究生毕业，工作于海南核电有限公司，从事汽轮发电机检修工作。
朱建斌，本科毕业，工作于海南核电有限公司，从事性能试验工作。
论文作者:姚肖方,朱建斌
论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期
论文发表时间:2016/11/7
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