中國(guó)計(jì)量大學(xué)　孫韞哲　呂紫安

1　原理

1.1　電感式傳感器原理

利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

1.2　互感式傳感器原理

是互感系數(shù)可變的變壓器，它的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化，它分為氣隙型、截面積型和螺管型三種形式。相比較而言，氣隙型雖靈敏度高，但示值范圍小，非線性嚴(yán)重；而螺管型雖靈敏度較低，但其示值范圍大，自由行程可任意安排，制造裝配也較方便，并且獲得了廣泛的應(yīng)用，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)的理論支持，我們最終采用了螺管型傳感器，如圖1所示。

1.3　所制作的傳感器的工作原理

它由一只螺管線圈和一根鐵芯組成，當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，使螺管線圈電感值發(fā)生變化，當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。

圖1　

2　流程框圖(圖2)

圖2　

3　元件的選取

線圈2個(gè)；單片機(jī)1個(gè)（提供5v電壓）；可調(diào)放大器模塊1個(gè)；蜂鳴器（工作電壓3v）；

銜鐵1塊；套筒1個(gè)；彈簧3個(gè)；一角硬幣1個(gè)；杜邦線若干；萬(wàn)用表1個(gè)。

4　制作過(guò)程及其研究分析

4.1　對(duì)制作傳感器的樣式進(jìn)行判斷

電感式傳感器有自感式傳感器和互感式傳感器之分，在進(jìn)行多次反復(fù)嘗試和綜合考量之后，采用了互感式傳感器。

由于螺管型雖靈敏度較低，但其示值范圍大，自由行程可任意安排，制造裝配也較方便，并且獲得了廣泛的應(yīng)用，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)的理論支持，最終采用了螺管型傳感器對(duì)照螺管式傳感器。

4.2　采購(gòu)原材料，采購(gòu)銜鐵、漆包線、放大器模塊和蜂鳴器等

漆包線所選購(gòu)的是為直徑為0.11mm的線圈；所購(gòu)的放大器模塊必須為可調(diào)節(jié)的，這樣運(yùn)用到制作中才能具有更大的容錯(cuò)率；杜邦線選用公對(duì)公、公對(duì)母、母對(duì)母，以減少元件連接的復(fù)雜性；其余材料保證可以正常運(yùn)行即可。

4.3　供電電源的制作

電源由移動(dòng)電源通過(guò)usb與單片機(jī)相連再進(jìn)行5v直流電的輸出進(jìn)行供電。

由于移動(dòng)電源輸出的為交流電，所以需要通過(guò)單片機(jī)變?yōu)楫a(chǎn)品可用的直流電。

常用的，USB/5V插頭線，這是一種專門的電源線，一端是USB通用接口，可以直插USB端口，另一端是內(nèi)正外負(fù)電壓為5V的插頭，可以直接給板子供電。

4.4　自感和互感的選擇

首先自感的測(cè)試，先用一個(gè)銜鐵繞好1000匝的線圈，連接好蜂鳴器，再用萬(wàn)用表測(cè)量其輸出的變化，經(jīng)過(guò)通斷電后測(cè)量并無(wú)達(dá)到預(yù)期效果，效果十分微弱。

再進(jìn)行互感的測(cè)試，試做套筒纏繞1200匝線圈，銜鐵纏繞800匝線圈進(jìn)行通電，經(jīng)萬(wàn)用表測(cè)量效果良好。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)自感式傳感器靈敏度在同等條件下不如互感式傳感器，最終決定使用互感式方案，

電路圖如圖3，最終依舊采用試做時(shí)的匝數(shù)，套筒纏繞1200匝線圈，銜鐵纏繞800匝線圈。

圖3　

4.5　互感元件的制作

因?yàn)槎ㄗ龇矫孢^(guò)于昂貴，所以首先是采用的為手工制作。套筒纏繞1200匝線圈，銜鐵纏繞800匝線圈。首尾用杜邦線進(jìn)行連接，以便于各個(gè)元件直接的連接。使用硬幣與彈簧制作底座，再將套筒底部與硬幣進(jìn)行固定，銜鐵固定于套筒里面，彈簧上即可。如圖4所示。

圖4　

4.6　產(chǎn)品的組裝

用usb連接單片機(jī)與移動(dòng)電源，通過(guò)單片機(jī)里的整流電路從單片機(jī)輸出5v直流電。通過(guò)杜邦線與互感元件即外部的套筒線圈進(jìn)行連接，再由銜鐵線圈連接放大器后再連接蜂鳴器。

5　產(chǎn)品運(yùn)作及其分析

由單片機(jī)連接電源提供5v電壓供電。用手下按中間銜鐵，使其中間銜鐵發(fā)生位移，裝置的磁通量會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使互感線圈產(chǎn)生電流，經(jīng)過(guò)放大器，使所連接的蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

本產(chǎn)品原理簡(jiǎn)單，效果較好，制作簡(jiǎn)單。因?yàn)榘磯夯蛘哂|碰即可引起報(bào)警，所以可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)震動(dòng)、位移報(bào)警。

6　總結(jié)及改進(jìn)

因?yàn)槌杀鞠拗频脑?，材料尺寸定做制作周期較長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，所以手工繞線無(wú)法做到致密均勻，材料尺寸沒有完美適配，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)無(wú)法保證漆包線不斷，沒有加入數(shù)字電路模塊。傳感器的頻率響應(yīng)不高，不適合快速動(dòng)態(tài)測(cè)量，抗干擾能力弱，在不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)有一個(gè)外包裝以保證性能穩(wěn)定。

[1]唐文彥.傳感器[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2016.