全金屬電感式接近傳感器的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

鄭連澤，王偉鋼

（海軍駐漢中地區(qū)航空軍事代表室，陜西 漢中 723200）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，各種開關(guān)量接近傳感器（也稱接近開關(guān)）的應(yīng)用日益廣泛，其主要功能是完成對位置量的檢測，并將其轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而實現(xiàn)對負載的控制或信號轉(zhuǎn)換與傳遞[1]。

電感式接近傳感器因抗干擾能力強、重復(fù)定位精度高、開關(guān)頻率高、可靠性好、壽命長等突出優(yōu)點在民用領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛。

由于軍工武器裝備系統(tǒng)對接近傳感器的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等要求較高，而民用電感式接近傳感器的感應(yīng)頭為非金屬材料，且溫度低于?30℃時不能正常工作，因此不能滿足軍工領(lǐng)域的要求。為適應(yīng)軍工領(lǐng)域的特殊環(huán)境要求，本文對全金屬密封的電感式接近傳感器的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和解決途徑等問題進行了分析，并探討其在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 電感式接近傳感器的工作原理及測試方法

電感式接近傳感器也稱高頻接近開關(guān)，是利用電渦流效應(yīng)來控制高頻振蕩器的起振與停振兩種狀態(tài)，實現(xiàn)對位置量的檢測，并將其轉(zhuǎn)換成電開關(guān)量輸出，從而實現(xiàn)對負載的控制或信號的轉(zhuǎn)換與傳遞。電感式接近傳感器基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 基本原理示意圖

在感應(yīng)線圈兩端加上交變電壓信號 U1，于是便有交變電流I1流過線圈，I1在線圈中產(chǎn)生一個交變磁場H1。當作為被測物體（也稱靶標）的金屬體接近線圈時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，金屬體內(nèi)會產(chǎn)生一個渦流電流I2，I2又會產(chǎn)生一個反磁場H2抵消一部分H1，而線圈要維持原來H1的量值就必然要加大 I1的量值。從等效的觀點來看，就相當于線圈的電感L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q值發(fā)生了變化。顯然 I2越大，L、Z、Q的變化也越大，即它們都是I2的函數(shù)。I2的大小取決于線圈的幾何形狀、I1的激磁頻率f、環(huán)境溫度、被測金屬體與線圈的距離X，以及被測金屬體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率rμ、幾何形狀等參數(shù)。如果控制上述參數(shù)中一個參數(shù)改變，其余皆不變，那么就可以構(gòu)成測位移、測溫度、測硬度等的各種傳感器。電感式接近傳感器就是選擇了X 作為變量，其余假定其不變，于是有：

為便于分析，將金屬體內(nèi)的渦流回路等效成一個短路環(huán)，如圖2所示。這個短路環(huán)相當于一個一匝的閉合電感線圈。

圖2 電渦流簡化模型

理論分析表明[2]，圖2中：

式中：ri為短路環(huán)等效內(nèi)半徑；ra為短路環(huán)等效外半徑；ras為傳感器線圈外半徑；h為電渦流貫穿深度/cm，ρ為金屬體電阻率/（?·m）；f為激磁電流頻率/Hz；μr為金屬體的相對磁導(dǎo)率。

短路環(huán)的電阻R2可用下式計算：

在不考慮渦流I2分布不均勻的情況下，用有效值表示時，I1、I2、X 有如下關(guān)系：

電感式接近傳感器工作時的等效電路如圖3所示。

根據(jù)圖3所示等效電路，可得線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的等效復(fù)阻抗為：

式中：R1和L1為線圈的電阻和電感；R2和L2為金屬導(dǎo)體的電阻和電感；M為互感系數(shù)；ω為振蕩角頻率。

圖3 等效電路圖

品質(zhì)因數(shù)Q為：

由上可知，被測參數(shù)的變化，既能引起線圈阻抗Z的變化，也能引起線圈電感L和線圈Q值變化，所以電感式接近傳感器所用的轉(zhuǎn)換電路可以選用Z、L、Q 中的任一個參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成電量即可達到測量目的。

根據(jù)電感式接近傳感器的工作原理，被測參量可以由傳感器轉(zhuǎn)換為線圈的Q值、等效阻抗Z和等效電感L 這3個參數(shù)，利用哪個參數(shù)并將其最后變換成為電壓或電流輸出要由測量電路決定，針對這3個參數(shù)的變化，有3種典型的測量電路：Q值測試電路、電橋電路和諧振電路。其中Q值測試電路較復(fù)雜，較少采用[1]。電橋電路比較簡單，主要用于由兩個電感式接近傳感器組成的差動式傳感器中。電感式接近傳感器主要采用諧振電路。

諧振電路是將傳感器線圈的等效電感變化變換為電壓或電流的變化，傳感器線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為：

在回路諧振時，其等效阻抗 Z0最大，為：

式中：R′為回路的等效損耗電阻。

當電感L發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨著L的變化而變化，由此可利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法進行測量。目前所配用的諧振電路有3種類型，即調(diào)幅式電路、調(diào)頻式電路和調(diào)頻調(diào)幅式電路。一般地說，要求靈敏度高，線性范圍大，可選用調(diào)頻調(diào)幅式電路；需要穩(wěn)定性好，可選用調(diào)幅式電路；若要考慮便于遙測和數(shù)字顯示，則調(diào)頻式電路就有其方便之處[2]。

根據(jù)電感式接近傳感器使用環(huán)境及要求，本文選用調(diào)頻調(diào)幅式電路對傳感器線圈的等效電感L 進行轉(zhuǎn)換和測量，利用振蕩幅度的變化來檢測線圈與靶標之間的位移變化而對頻率變化不予考慮，電路原理框圖如圖4所示，主要由振蕩電路、電源電路、輸出電路和檢波及回差形成電路組成。振蕩頻率可以通過振蕩回路的電感電容參數(shù)進行調(diào)節(jié)。檢波電路用于檢測振蕩器的工作狀態(tài)，為了提高靈敏度，采用有源檢波電路。回差電路的設(shè)置是為了使接近傳感器工作既靈敏又可靠。其工作原理是通過回差電路在振蕩電路中施加一定量的正反饋，使起振點和停振點不重合，避免在臨界點上開關(guān)輸出狀態(tài)反復(fù)變化。同時正反饋的引入可以使起振和停振過程更加利落。

圖4 電路原理框圖

2 全金屬電感式接近傳感器的關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)軍用飛機環(huán)境工作要求，飛機設(shè)備工作溫度為?55～75℃，而全金屬密封的電感式接近傳感器的關(guān)鍵技術(shù)就是解決感應(yīng)頭采用全金屬密封以及工作溫度為?55～75℃應(yīng)能正常工作。試驗表明，民用電感式接近傳感器的感應(yīng)頭在分別選用結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、銅合金和鋁合金等金屬材料進行密封后，接近傳感器均不能正常工作。根據(jù)電感式接近傳感器的工作原理可知，非金屬感應(yīng)面感應(yīng)頭的工作示意圖如圖5所示。當感應(yīng)頭檢測面用金屬材料密封時，相當于圖5b）中狀態(tài)，即感應(yīng)頭檢測面的密封金屬相當于靶標，金屬體遠離或靠近金屬感應(yīng)面時均不能引起線圈Q值、等效阻抗Z和等效電感L的變化，振蕩器已處于停振狀態(tài)，因此接近傳感器不能正常工作。

圖5 非金屬感應(yīng)面感應(yīng)頭的工作示意圖

要保證全金屬密封感應(yīng)頭能正常工作，必須加大電渦流貫穿深度，保證線圈產(chǎn)生的交變磁場能夠穿透密封金屬，如圖6所示。由式(5)和式(10)可知，加大電渦流貫穿深度需增加線圈電感L。因此，可從磁芯材料和結(jié)構(gòu)以及線圈參數(shù)兩個方面采取措施。磁芯導(dǎo)磁率受溫度影響導(dǎo)致線圈電感L發(fā)生變化，從而引起電渦流貫穿深度h的較大變化。民用電感式接近傳感器選用鐵氧體磁芯材料的磁導(dǎo)率溫度曲線的溫度系數(shù)在?25～65℃內(nèi)為3 125×10-6℃。因此，為了保證接近傳感器在?55～75℃均能正常工作，需要選用磁導(dǎo)率溫度系數(shù)小的磁芯材料，保證全溫范圍內(nèi)磁芯導(dǎo)磁率的穩(wěn)定性。

圖6 金屬感應(yīng)面感應(yīng)頭的工作示意圖

2.2 解決途徑

2.2.1 設(shè)計專用磁路，磁芯選用高穩(wěn)定性材料

電感式接近傳感器工作時敏感的參量（線圈Q值和電感L）相對變化率很低，靶標電阻率、感應(yīng)線圈電阻和電感以及檢測電路參數(shù)等的微小變化均會導(dǎo)致較大檢測距離的變化，產(chǎn)品很容易受到溫度等因素的影響，造成性能的大幅變化。因此，需要提高線圈Q值，提高產(chǎn)品抗干擾能力和增大測量范圍。

由于空芯線圈的Q值較低，采用在感應(yīng)線圈內(nèi)加入高磁導(dǎo)率磁芯，在感應(yīng)線圈電感量相同的情況下，既減少了線圈的匝數(shù)和電阻值，提高線圈的Q值，又縮小了線圈的體積，減小感應(yīng)頭尺寸。經(jīng)過柱形磁芯、U型磁芯和罐型磁芯等多種類型的結(jié)構(gòu)、材料和尺寸參數(shù)試驗，試驗結(jié)果表明柱形磁芯、U型磁芯結(jié)構(gòu)以及1J50 材料的大長徑比罐型磁芯裝配的產(chǎn)品，在全溫范圍內(nèi)均不能正常工作，僅有大長徑比的R2KG 鐵氧體罐型磁芯的磁路結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)感應(yīng)頭全金屬密封結(jié)構(gòu)和滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.2.2 優(yōu)化線圈參數(shù)

線圈品質(zhì)因數(shù)Q是反映線圈質(zhì)量的重要參數(shù)，提高線圈的Q值，是繞制線圈要注意的重點之一。為減小線圈電阻，提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，線圈不宜用過細和電阻系數(shù)較大的導(dǎo)線繞制。分別采用線徑為φ0.06、φ0.08、φ0.1、φ0.12的QZ-1/155 聚酯漆包線繞制線圈進行全溫性能試驗，結(jié)果表明采用φ0.1線徑繞制的感應(yīng)線圈電阻小且電感大，品質(zhì)因數(shù)高，裝配產(chǎn)品后全溫性能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.2.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

感應(yīng)頭灌封膠選用工作溫度為?60～120℃的高強度低蠕變膠，磁芯和線圈均選用耐高低溫材料，電子元器件均選用軍品級高穩(wěn)定性器件。振蕩電路采用具有良好穩(wěn)定性的兩級直接耦合放大電路組成正反饋振蕩放大器，可以減小溫度等因素對環(huán)路增益的影響，避免在不同溫度時檢測距離發(fā)生較大的變化，檢測電路中設(shè)有高低溫補償電路部分保證產(chǎn)品高低溫性能。進行防砂塵和防淋雨性能設(shè)計，產(chǎn)品采用全密封設(shè)計，結(jié)構(gòu)件選用不銹鋼、銅合金、鋁合金和非金屬等材料，所有金屬材料均進行耐環(huán)境性能的表面處理，電路板進行浸漆處理，引出線套熱縮管后用氟膠布保護。另外還需要進行耐加速度和振動設(shè)計等。

3 電感式接近傳感器的軍事應(yīng)用

軍工武器裝備系統(tǒng)需要適用于特殊任務(wù)與應(yīng)用需求的高度定制型解決方案，必須具有最高的質(zhì)量與可靠性。因此，對配套軍工武器裝備系統(tǒng)的接近傳感器也提出了更高的要求。近十幾年來，電感式接近傳感器在國外軍工領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。作為接近傳感系統(tǒng)行業(yè)的領(lǐng)頭羊，美國ELDEC 公司研制的電感式接近傳感器已廣泛應(yīng)用于區(qū)域、大型商用及軍用飛機，如空中客車A320/A330/A340/A380、CRJ100/200/700/900、波音737、洛克希德?馬丁公司F-117/F-22 等的位置指示和控制系統(tǒng)。法國Crouzet 生產(chǎn)的專用外殼、寬溫工作、金屬前表面并且具有機內(nèi)測試能力的電感式接近傳感器已用于商用和軍用飛機的起落架、飛行控制器、反推力裝置以及艙門系統(tǒng)。[3]

接近傳感器是飛機起落架系統(tǒng)和艙門開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，隨著飛機性能要求不斷提高，對接近傳感器在安全性、可靠性、經(jīng)濟性、環(huán)境適應(yīng)性等方面提出了更嚴格的要求。目前，國內(nèi)軍用和民用飛機的艙門和起落架系統(tǒng)主要采用接觸式行程開關(guān)，接觸式行程開關(guān)存在壽命短和可靠性差等問題。國外有多家公司生產(chǎn)符合軍用環(huán)境的電感式接近傳感器，但對我國供應(yīng)受到嚴格限制，尤其是在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文通過對全金屬密封電感式接近傳感器的理論研究，對其關(guān)鍵技術(shù)進行了分析并提出了解決措施。本文研制的全金屬密封電感式接近傳感器具有寬溫工作（?55～75℃）、全金屬密封、工作可靠、性能穩(wěn)定、重復(fù)定位精度高、抗干擾能力強、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，滿足軍工領(lǐng)域武器系統(tǒng)的要求，可用于飛機起落架系統(tǒng)和艙門開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)、火炮裝彈系統(tǒng)、炮塔位置檢測系統(tǒng)，以及艦船、雷達、戰(zhàn)車等武器裝備中，用作各類自動化裝置的位置指示和控制系統(tǒng)。

[1]蔣敦斌,李文英.非電量測量與傳感器應(yīng)用[M].北京∶國防工業(yè)出版社,2005.

[2]張洪潤.傳感器技術(shù)大全[M].北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[3]文元洪.開關(guān)量傳感器技術(shù)講座（二）[J].儀表技術(shù)與傳感器,1995,12(4)∶43-47.