平面电感式直线位移检测敏感元件的研发

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平面电感式直线位移传感器的设计灵感来源于电涡流传感器和感应同步器。电涡流传感器受探头内部线圈结构限制,只能测量与探头平面垂直的距离,不能测量水平距离。感应同步器虽然能测量两个模块的相对位移,但在两个模块上都需要布置绕线,这种结构使得感应同步器的应用场合受到限制。平面电感式直线位移传感器巧妙的克服了两者的不足,它的激励线圈和接收线圈都在同一块PCB板(定尺)上,被测位移对象是一块金属体,可以镶嵌在某物件上,也可以是某物件的一部分。被测金属块在交变磁场中受涡流效应影响,在其表面上产生涡电流,由楞次定律可知,涡电流激发的新磁场与原磁场的方向相反,定尺平面串联反接的接收线圈通过电磁感应效应,在不同区域的叠加磁场下产生感生电动势,由此测量滑片的水平位移。  本文主要研究平面电感式直线位移传感器敏感元件的工作原理、设计方法、仿真过程及对比实验。  文中建立了激励线圈理论模型,对矩形激励线圈的磁感应强度计算公式做了推导,得到求矩形激励线圈周边任意一点Z轴方向场强Bz的计算公式,进而对理论模型计算电感值做了讨论。在接收线圈的理论建模中,通过磁链的变化,分析了接收线圈在耦合电磁场中产生感生电动势的因素,为接收线圈的结构设计提供了理论依据。  文中使用ANSYS Maxwell软件对理论建模进行仿真实验,矩形激励线圈仿真结果与理论计算结果一致,都得到了沿矩形对称分布的网兜形状的磁场。定尺与滑片的电磁耦合仿真实验结果,验证了理论设计的可行性。在滑片的下方出现了磁场强度幅值阶梯,使得接收线圈上产生的感生电动势峰峰值随幅值阶梯的位置变化而变化。  文中设计了用于对比实验的定尺和滑片,并搭建实验台。在调试实验台过程中,加入了低通滤波器,对低通滤波器的频率特性进行检测后,确定在定尺和滑片的电磁耦合实验中采用3.6MHz作为激励信号的频率。  通过定尺与滑片电磁耦合实验得知,滑片与定尺垂直距离越远,接收电压幅值越小,两者呈线性关系。激励信号幅值越大,接收电压幅值越大,两者同样呈线性关系。在水平位移实验完成后,根据每组实验数据画出滑片位移与接收电压幅值的曲线图,进行对比分析,发现接收线圈正弦绕法比菱形绕法获得的感生电动势要大;两组接收线圈串联可增大接收电压幅值;激励线圈匝数减少,接收电压幅值减小;滑片面积越小,接收电压越小。找到这些影响输出电压幅值的因素,为今后平面电感式直线位移传感器设计提供指导依据。
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