关于电感式报警传感器的研究及其制作

中国计量大学　孙韫哲　吕紫安

1　原理

1.1　电感式传感器原理

利用电磁感应原理将被测物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，从而实现非电量到电量的转换。

1.2　互感式传感器原理

是互感系数可变的变压器，它的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化，它分为气隙型、截面积型和螺管型三种形式。相比较而言，气隙型虽灵敏度高，但示值范围小，非线性严重；而螺管型虽灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可任意安排，制造装配也较方便，并且获得了广泛的应用，鉴于这些优点的理论支持，我们最终采用了螺管型传感器，如图1所示。

1.3　所制作的传感器的工作原理

它由一只螺管线圈和一根铁芯组成，当铁芯在线圈中移动时，使螺管线圈电感值发生变化，当用恒流源激励时，线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。

图1　

2　流程框图(图2)

图2　

3　元件的选取

线圈2个；单片机1个（提供5v电压）；可调放大器模块1个；蜂鸣器（工作电压3v）；

衔铁1块；套筒1个；弹簧3个；一角硬币1个；杜邦线若干；万用表1个。

4　制作过程及其研究分析

4.1　对制作传感器的样式进行判断

电感式传感器有自感式传感器和互感式传感器之分，在进行多次反复尝试和综合考量之后，采用了互感式传感器。

由于螺管型虽灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可任意安排，制造装配也较方便，并且获得了广泛的应用，鉴于这些优点的理论支持，最终采用了螺管型传感器对照螺管式传感器。

4.2　采购原材料，采购衔铁、漆包线、放大器模块和蜂鸣器等

漆包线所选购的是为直径为0.11mm的线圈；所购的放大器模块必须为可调节的，这样运用到制作中才能具有更大的容错率；杜邦线选用公对公、公对母、母对母，以减少元件连接的复杂性；其余材料保证可以正常运行即可。

4.3　供电电源的制作

电源由移动电源通过usb与单片机相连再进行5v直流电的输出进行供电。

由于移动电源输出的为交流电，所以需要通过单片机变为产品可用的直流电。

常用的，USB/5V插头线，这是一种专门的电源线，一端是USB通用接口，可以直插USB端口，另一端是内正外负电压为5V的插头，可以直接给板子供电。

4.4　自感和互感的选择

首先自感的测试，先用一个衔铁绕好1000匝的线圈，连接好蜂鸣器，再用万用表测量其输出的变化，经过通断电后测量并无达到预期效果，效果十分微弱。

再进行互感的测试，试做套筒缠绕1200匝线圈，衔铁缠绕800匝线圈进行通电，经万用表测量效果良好。

经过实践发现自感式传感器灵敏度在同等条件下不如互感式传感器，最终决定使用互感式方案，

电路图如图3，最终依旧采用试做时的匝数，套筒缠绕1200匝线圈，衔铁缠绕800匝线圈。

图3　

4.5　互感元件的制作

因为定做方面过于昂贵，所以首先是采用的为手工制作。套筒缠绕1200匝线圈，衔铁缠绕800匝线圈。首尾用杜邦线进行连接，以便于各个元件直接的连接。使用硬币与弹簧制作底座，再将套筒底部与硬币进行固定，衔铁固定于套筒里面，弹簧上即可。如图4所示。

图4　

4.6　产品的组装

用usb连接单片机与移动电源，通过单片机里的整流电路从单片机输出5v直流电。通过杜邦线与互感元件即外部的套筒线圈进行连接，再由衔铁线圈连接放大器后再连接蜂鸣器。

5　产品运作及其分析

由单片机连接电源提供5v电压供电。用手下按中间衔铁，使其中间衔铁发生位移，装置的磁通量会发生变化，产生感应电动势，使互感线圈产生电流，经过放大器，使所连接的蜂鸣器进行报警。

本产品原理简单，效果较好，制作简单。因为按压或者触碰即可引起报警，所以可应用于监测震动、位移报警。

6　总结及改进

因为成本限制的原因，材料尺寸定做制作周期较长，价格昂贵，所以手工绕线无法做到致密均匀，材料尺寸没有完美适配，简单的结构无法保证漆包线不断，没有加入数字电路模块。传感器的频率响应不高，不适合快速动态测量，抗干扰能力弱，在不破坏产品结构的基础上，应有一个外包装以保证性能稳定。

[1]唐文彦.传感器[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2016.