摘 要: 對(duì)一種新型的電感式傳感器裝置進(jìn)行了研究, 著重介紹了該傳感器的工作原理及基本結(jié)構(gòu)、孔徑識(shí)別系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析和工業(yè)應(yīng)用。利用電感式傳感器的輸出模擬量電流值與金屬被測(cè)物體之間的距離關(guān)系, 構(gòu)建新穎的檢測(cè)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備上安裝不同直徑螺孔的識(shí)別。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置驗(yàn)證, 結(jié)果與理論測(cè)量值相一致。該檢測(cè)系統(tǒng)新穎、實(shí)用、可靠, 價(jià)格低廉, 穩(wěn)定系數(shù)高, 具有較高的精度和測(cè)量范圍, 應(yīng)用價(jià)值良好。

　　現(xiàn)代工業(yè)中螺絲作為最主要的緊固件之一, 需求量很大, 對(duì)于不同的孔徑, 螺釘與螺帽的匹配問題尤為關(guān)鍵, 精密設(shè)備中微小差異都可能帶來傳動(dòng)、電動(dòng)裝置的系統(tǒng)問題, 因此鉆削和攻絲技術(shù)的發(fā)展已被迅速地提上議事日程。

　　最早的螺紋孔檢測(cè)是通過人工完成的, 即操作者將螺栓或量計(jì)旋入孔內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。然而, 人工方法因勞動(dòng)強(qiáng)度大, 成本高等問題逐漸被自動(dòng)化檢測(cè)法所代替。在此研究的一款即是利用先進(jìn)傳感器而實(shí)現(xiàn)的對(duì)金屬螺孔的細(xì)微檢測(cè)。

　　1 電感式傳感器的基本概念

　　1. 1 基本結(jié)構(gòu)及靈敏度

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

　　式中: L 為電感量; N 為線圈的匝數(shù); L 為氣隙導(dǎo)磁率;S 為氣隙截面積; D為氣隙厚度。

圖1 電感式傳感器的基本組成

　　由式( 1) 可知, 線圈電感量L 與氣隙厚度D成反比,與氣隙截面積S 成正比。假設(shè)起始位置的氣隙為D0 , 對(duì)應(yīng)的初始電感為L0 , 且S 固定不變, 當(dāng)D有細(xì)微變化為$D時(shí), 引起自感量的變化量dL 為( 忽略高次項(xiàng)) :

　　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)上的, 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實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。

　　當(dāng)交流電流過線圈時(shí), 線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng), 該磁場(chǎng)通過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( 見圖2) 。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。集成在傳感器中的電路測(cè)出線圈阻抗的變化, 并轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)輸出, 圖3 示出其檢測(cè)流程圖。

　圖2 磁場(chǎng)狀態(tài)圖

　圖2 磁場(chǎng)狀態(tài)圖

圖3 檢測(cè)流程圖

　　2 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

　　根據(jù)電感式傳感器的基本概念, 結(jié)合本文研究的內(nèi)容及要求, 設(shè)計(jì)了基于電感式傳感器的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖, 如圖4 所示。

圖4 基于電感式傳感器的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中采用德國博世公司提供的實(shí)驗(yàn)試件St37( 鋼40 mm 寬) 制成測(cè)量標(biāo)記, 并作為標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)材料, 當(dāng)材料試件接觸傳感器時(shí), 超聲波距離傳感器測(cè)量裝置將顯示一個(gè)參考值。通過改變?cè)嚰c電感傳感器激勵(lì)端間的距離, 測(cè)定其輸出電流的大小, 用以確定該傳感器的可檢測(cè)范圍區(qū)域。模擬量式電感傳感器IA在確定阻尼板與傳感器之間距離的情況下, 輸出與傳感器之間距離成比例的模擬信號(hào)。

　　本文通過帶超聲波傳感器的信號(hào)調(diào)理電路與電流表顯示, 確定系統(tǒng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系。由此得出模擬量輸出電感式傳感器的線性檢測(cè)區(qū)域。圖5為檢測(cè)接線圖( 紅色相連的為電源正極性等電位點(diǎn), 藍(lán)色相連的為電源負(fù)極性等電位點(diǎn))。

　　4 螺紋孔徑識(shí)別應(yīng)用

　　電感式模擬量輸出傳感器的輸出模擬量電流值取決于傳感器與金屬被測(cè)物體之間的距離。對(duì)金屬板上不同直徑安裝螺孔的檢測(cè)是很重要的應(yīng)用案例 , 如圖6 所示。

圖5 檢測(cè)連線圖

圖6 螺紋孔徑檢測(cè)應(yīng)用案例

　　圖6 中以帶3 個(gè)安裝螺孔的鋁板( 80 mm @80 mm) 用作被測(cè)工件, 將鋁板安裝在非旋轉(zhuǎn)試件托架上, 并與支架導(dǎo)軌平行。高度補(bǔ)償器在距離導(dǎo)軌4 mm處, 與導(dǎo)軌平行安裝。電感器模擬量輸出傳感器安裝在高度補(bǔ)償器上。由于之前已確定模擬量式電感傳感器的線性測(cè)定范圍, 所以此時(shí)的電流表不在接于超聲波傳感器之上, 而接在電感式傳感器上。

　　將6 mm 圓孔對(duì)準(zhǔn)傳感器中心, 同時(shí)將相鄰的12 mm圓孔置于傳感器的檢測(cè)范圍之外( 此要求也同樣適用于企業(yè)檢測(cè)時(shí)傳送帶上金屬材料之間的距離) 。依次將12 mm 與15 mm 的圓孔移動(dòng)傳感器激勵(lì)端的中心位置處, 并確保相鄰的圓孔不會(huì)被檢測(cè)到。記錄測(cè)量電流值如表1 所示。

　　5 數(shù)據(jù)分析與處理

　　所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)擬合, 如圖7 所示。

　　由圖7 可見, 對(duì)于該款電感式模擬量輸出傳感器,在3 mm 到10 mm 范圍之間, 電流從0 mA 變化到25 mA, 且距離與電流成線性關(guān)系; 超出此范圍之外, 距離與電流成非線性關(guān)系, 在此范圍( 3~ 10 mm) 內(nèi), 電感式模擬量輸出傳感器不會(huì)產(chǎn)生遲滯。因此, 電感式模擬量輸出傳感器適用于對(duì)指定材料的距離進(jìn)行測(cè)量。

圖7 模擬量式電感器電流路徑特性曲線擬合

　　6 結(jié) 語

　　模擬量式電感傳感器能夠提供一個(gè)與物體位移成比例的電流或電壓信號(hào), 通過不同的測(cè)量電流或電壓測(cè)量值, 可以估算出圓孔直徑的大小。實(shí)際測(cè)量中, 側(cè)向精度與圓孔的直徑大小及材料有關(guān), 如果圓孔的直徑越小, 模擬量式電感傳感器輸出的衰減越大, 檢測(cè)螺紋孔徑的微小差距就相對(duì)比較精確。當(dāng)然, 對(duì)于圓孔材料,鋁材料的換算系數(shù)為0. 42, 而高級(jí)鋼換算系數(shù)為0. 72,鋁材料的換算系數(shù)相對(duì)較小, 因此使用高換算系數(shù)的材料會(huì)提高本款測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度, 以便完成可靠的檢測(cè)和控制任務(wù)。