基于電感傳感器的鋼珠直徑分選器設(shè)計(jì)

陳育中

（1.河海大學(xué) 江蘇 南京 210098；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院 江蘇 南京 210019）

傳感器是采集和獲取信息的工具，又稱“電五官”[1]。傳感器及其技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)滲透到家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、環(huán)保、交通等各行各業(yè)，對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和測(cè)控質(zhì)量起著重要的作用。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常需要測(cè)量并判別鋼珠工件的直徑是否在允許范圍之內(nèi)，需要與一標(biāo)準(zhǔn)直徑進(jìn)行比較才能得出結(jié)論，僅憑人工檢測(cè)在速度、精度上都不現(xiàn)實(shí)，必須借助先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。有效地獲取被測(cè)信號(hào)是關(guān)鍵所在，獲取信號(hào)的最佳元器件就是傳感器，本文選用電感傳感器（Inductance Type Transducer）作為信號(hào)拾取源，將被測(cè)部件幾何尺寸的微小變化轉(zhuǎn)換為線圈的電感變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量，具有工作可靠、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、線性好、分辨率高、精度高、性能穩(wěn)定和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 電感傳感器

在測(cè)量技術(shù)中，電感傳感器廣泛用于加速度、位移、振幅、轉(zhuǎn)速、無(wú)損探傷等非電量的測(cè)量[2]。在其控制系統(tǒng)中，鋼珠直徑分類選擇器（簡(jiǎn)稱分選器）是1個(gè)微位移檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼珠尺寸的檢測(cè)與計(jì)數(shù)，是電感式傳感器的典型應(yīng)用。本測(cè)控系統(tǒng)采用博世力士樂(lè)傳感實(shí)驗(yàn)裝置，由傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)、直流穩(wěn)壓電源、傳感器、直流電機(jī)和信號(hào)處理電路模塊組成[1]。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

電感式傳感器的激勵(lì)元件由線圈和鐵氧體磁心組成，如圖1所示。 式（1）為電感式傳感器的數(shù)學(xué)模型[1，8]。

圖1 激勵(lì)元件Fig.1 Incentive element

式（1）中L為電感量，N為線圈的匝數(shù)，μ為氣隙導(dǎo)磁率，S為氣隙截面積，δ為氣隙厚度。

可知，線圈電感量L與氣隙厚度δ成反比，與氣隙截面積S成正比。假設(shè)起始位置的氣隙為δ0，對(duì)應(yīng)的初始電感為L(zhǎng)0，且S固定不變，當(dāng)δ有細(xì)微變化為Δδ時(shí)，引起的自感量的變化量dL為（忽略高次項(xiàng)）[2]：

1.2 工作原理

電感式傳感器是建立在電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上，是利用被測(cè)量磁路磁阻變化引起傳感器線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量[1-3]。

當(dāng)交流電流過(guò)線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)鐵心并指向鐵心一側(cè)，即傳感器的激勵(lì)端。當(dāng)有金屬物體或磁性物體接近傳感器激勵(lì)端時(shí)會(huì)造成磁場(chǎng)變形。使用計(jì)算機(jī)模擬可獲得磁場(chǎng)狀態(tài)圖，如圖2所示。從圖2可以看出導(dǎo)電材料（如鋼板）接近激勵(lì)端時(shí)的磁場(chǎng)效應(yīng)，變化的磁場(chǎng)導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化。

圖2 磁場(chǎng)狀態(tài)圖Fig.2 State chart of magnetic

傳感器線圈構(gòu)成變壓器初級(jí)繞組，金屬板構(gòu)成短路次級(jí)繞組，如圖3所示。由于電感耦合作用，在次級(jí)回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流i2又反作用于初級(jí)回路，從而產(chǎn)生互感系數(shù)M12。最終使得線圈本身的阻抗發(fā)生變化[2]。通過(guò)與理想變壓器回路比較，可得出以下結(jié)論：

初級(jí)回路：

次級(jí)回路：

則初級(jí)回路阻抗:

實(shí)部:

虛部:

圖3 變壓器等效電路圖Fig.3 Circuit of transformer equivalent

綜上所述，當(dāng)有導(dǎo)電材料接近傳感器時(shí)，線圈的阻抗Z實(shí)值增加，其值等于線圈電阻R1加上R2、L2、M12及ω產(chǎn)生的阻抗。經(jīng)驗(yàn)表明，阻抗Z的虛值只表明傳感器線圈與金屬板之間有很小間距時(shí)的測(cè)量變化。電感式傳感器只能利用阻抗Z的實(shí)值變化量檢測(cè)導(dǎo)電材料被測(cè)物體。

2 工業(yè)應(yīng)用

2.1 功能分析

對(duì)鋼珠的標(biāo)稱直徑（9.000 mm）進(jìn)行控制，允許公差范圍為±3 μm，在此范圍之內(nèi)為合格產(chǎn)品，應(yīng)予保留，超出此范圍即為次品，應(yīng)予剔除，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)合格產(chǎn)品與次品的數(shù)量。將拾取信號(hào)（誤差信號(hào)）與對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（9 mm值）對(duì)比，如果在±3 μm范圍內(nèi)，則合格產(chǎn)品自動(dòng)計(jì)數(shù)（C1=Cn1+1），如果超出這個(gè)范圍，則次品自動(dòng)計(jì)數(shù)（C2=Cn2+1），當(dāng)合格產(chǎn)品數(shù)與次品數(shù)只和等于產(chǎn)品總數(shù)時(shí)，自動(dòng)退出檢測(cè)系統(tǒng)[2-3]。電路設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 電路設(shè)計(jì)流程Fig.4 Design of process circuit

2.2 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)電感傳感器的工作原理，配合電氣動(dòng)控制電路，設(shè)計(jì)檢測(cè)電路。該電路分為機(jī)械控制和電氣測(cè)量?jī)蓚€(gè)電路部分。機(jī)械控制部分主要完成電感傳感器的選擇、鋼珠的推動(dòng)與定位、氣缸和料箱翻板控制功能；電氣測(cè)量部分主要完成信號(hào)拾取、信號(hào)處理和執(zhí)行顯示功能。檢測(cè)過(guò)程中，可以采用數(shù)字示波器進(jìn)行輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)觀察和測(cè)量[4-5]。鋼珠直徑分選器測(cè)控系統(tǒng)電路原理框圖如圖5所示。

2.3 工作原理

2.3.1 機(jī)械控制電路

當(dāng)氣缸進(jìn)氣口A有0.8 MPa的高壓進(jìn)氣時(shí)，氣缸前室殘留氣體由B口排除，活塞自左向右推行，將放料口的鋼珠推向電感傳感器的下方，供其拾取信號(hào)[2，6]。檢測(cè)過(guò)程中，活塞將受到電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的控制，活塞的出氣口B改為進(jìn)氣口輸入0.8 MPa的高壓氣，進(jìn)氣口A改為出氣口排除活塞內(nèi)的氣體，活塞自動(dòng)恢復(fù)初始狀態(tài)，等待下一次鋼珠的到來(lái)。為了精確地計(jì)數(shù)每個(gè)鋼球的尺寸，以9 mm為鋼珠的標(biāo)準(zhǔn)直徑，按1 μm 差值為單位劃分-3、-2、-1、0、1 、2 、3 μm、 次品 8 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)8個(gè)收料箱，每個(gè)收料箱上端的翻板都是可控制的活動(dòng)板，由8個(gè)與之一一對(duì)應(yīng)的電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路控制，最后通過(guò)計(jì)數(shù)裝置將每個(gè)尺寸鋼球的統(tǒng)計(jì)結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)并顯示出來(lái)。

2.3.2 電氣測(cè)量電路

1）信號(hào)拾取模塊

圖5 電路原理框圖Fig.5 Circuit principle diagram

本例中，考慮到1 μm數(shù)量級(jí)的檢測(cè)精度比較高，檢測(cè)傳感器的選擇是否得當(dāng)對(duì)最后的結(jié)果影響很大，選擇合適的傳感器可以將干擾減少到最少。所以采用AD698[7]高精度線性差動(dòng)式電感傳感器 （LVDT:Linear Variable Differential Transformer）為信號(hào)拾取電路，以磁芯的機(jī)械位移為輸入，交流電壓信號(hào)為輸出，該電壓與磁芯位置成正比。傳感器初級(jí)線圈由外部參考正弦波信號(hào)源激勵(lì)，兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，磁芯的移動(dòng)可改變初級(jí)線圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生兩個(gè)幅值不同的交流電壓信號(hào)，以滿足后續(xù)電路的信號(hào)要求。

2）信號(hào)處理模塊

由相敏檢波電路、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)設(shè)置電路、電壓比較放大電路和電磁驅(qū)動(dòng)電路組成[8]。以相敏檢波電路為核心，完成鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻功能，如圖6所示。>0時(shí)，uyi與uyo同頻同相。

當(dāng)uyi與uy0都是正半周時(shí)，T1的次級(jí)線圈輸出電壓u1為上正下負(fù)，根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)，u2也為上正下負(fù)；T2的次級(jí)線圈輸出電壓u01為左正右負(fù)，根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)，u02也為左正右負(fù)。根據(jù)電路分析原理[3]可知，各級(jí)變壓器的次級(jí)輸出為：

回路電流為：

輸出電壓為：

當(dāng)uyi與uy0都是負(fù)半周時(shí)，分析同理。

當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)（中點(diǎn)）以下移動(dòng)，即位移 x（t）＜0 時(shí)，uyi與uyo同頻反相。

此時(shí)，無(wú)論uyi與uy0是正半周還是負(fù)半周，輸出電壓為：

圖6 相敏檢波電路Fig.6 Phase sensitive detector

（其中，“—”反映了相位的關(guān)系，相差180°）

總之，相敏檢波電路的輸出電壓的變化規(guī)律反映了位移的變化規(guī)律，即ux1的大小反映了位移x（t）的大小變化，其極性反映了位移x（t）的方向（正向位移輸出正電壓，負(fù)向位移輸出負(fù)電壓），各電壓之間的波形圖如圖7所示。

如圖7，ux1的每個(gè)周期可以分為4個(gè)階段：

第1階段：正半周上升段，ux1>0，且呈增大趨勢(shì)，可知為銜鐵向上運(yùn)動(dòng)；

第2階段：正半周下降段，ux1>0，且呈減小趨勢(shì)，可知為銜鐵向下運(yùn)動(dòng)；

第3階段：負(fù)半周下降段，ux1＜0，且呈增大趨勢(shì)，可知為銜

①相敏檢波電路

電路組成：4個(gè)性能一致的整流二極管VD1～VD4串聯(lián)成一個(gè)閉合的電橋，4個(gè)節(jié)點(diǎn) a、b、c、d分別 接在變壓器 T1、T2的次級(jí)線圈上，輸入信號(hào)uyi與檢波器的參考電壓uy0分別經(jīng)過(guò)T1、T2夾在電橋的兩個(gè)對(duì)角，電橋中電阻R1～R4為限流電阻，阻值都為R，起保護(hù)所在橋臂二極管的作用。u0＞＞uyi=u1+u2，且與uyi同頻，以保證準(zhǔn)確控制4個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)。

②工作原理：當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)（中點(diǎn)）以上移動(dòng)，即位移x（t）鐵向下運(yùn)動(dòng)；

第4階段：負(fù)半周上升段，ux1＜0，且呈減小趨勢(shì)，可知為銜鐵向上運(yùn)動(dòng)。

圖7 相敏檢波電路的波形Fig.7 Waveform of phase sensitive detector

③其他電路

為了便于分析， 由 R1、RP1、RP23 電阻組成 9mm、9mm±3 μm、任意標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)檔，可以通過(guò)選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)檔，滿足各種標(biāo)準(zhǔn)量與相敏檢波信號(hào)（誤差信號(hào)）進(jìn)行比較[9]。當(dāng)信號(hào)相同（在誤差范圍內(nèi)）時(shí)，則通過(guò)電壓放大器，驅(qū)動(dòng)電磁控制器1～7，打開(kāi)相應(yīng)的鋼珠收料箱，并統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)。當(dāng)信號(hào)不相同（超出誤差范圍）時(shí)，則通過(guò)電壓比較放大器，驅(qū)動(dòng)電磁控制器8，打開(kāi)次品鋼珠收料箱，并統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)，如圖8所示。

圖8 其他電路Fig.8 The other circuit

3 信號(hào)執(zhí)行模塊

將選擇結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印和顯示功能[10]。

4 結(jié)論

該電路系統(tǒng)選用AD698高精度線性差動(dòng)式電感傳感器，將其所檢測(cè)的細(xì)微位移量經(jīng)過(guò)相敏檢波、比較放大等信號(hào)處理電路，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，輔以合適的電氣動(dòng)控制電路，最后通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)器、計(jì)數(shù)器把信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)顯示、打印、存儲(chǔ)功能，這是該電路的優(yōu)點(diǎn)。但也存在不足和問(wèn)題，電路中需要設(shè)計(jì)很多個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)電路，可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，可嘗試在電路中利用信號(hào)互鎖作用，實(shí)現(xiàn)當(dāng)其中某一個(gè)收料箱動(dòng)作時(shí)，其他收料箱均不發(fā)生動(dòng)作，以此來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。

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