傳感器" title="傳感器">傳感器是采集和獲取信息的工具，又稱“電五官”。傳感器及其技術應用非常廣泛，已經滲透到家居、農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學、軍事、環(huán)保、交通等各行各業(yè)，對系統(tǒng)的自動化程度和測控質量起著重要的作用?，F(xiàn)代工業(yè)生產中，常需要測量并判別鋼珠工件的直徑是否在允許范圍之內，需要與一標準直徑進行比較才能得出結論，僅憑人工檢測在速度、精度上都不現(xiàn)實，必須借助先進的技術實現(xiàn)自動檢測。有效地獲取被測信號是關鍵所在，獲取信號的最佳元器件就是傳感器，本文選用電感" title="電感">電感傳感器(Irductance Type Transducer)作為信號拾取源，將被測部件幾何尺寸的微小變化轉換為線圈的電感變化實現(xiàn)測量，具有工作可靠、靈敏度高、壽命長、線性好、分辨率高、精度高、性能穩(wěn)定和重復性好等優(yōu)點。
1 電感傳感器
在測量技術中。電感傳感器廣泛用于加速度、位移、振幅、轉速、無損探傷等非電量的測量。在其控制系統(tǒng)中，鋼珠直徑分類選擇器(簡稱分選" title="分選">分選器)是1個微位移檢測裝置，實現(xiàn)對鋼珠尺寸的檢測與計數(shù)，是電感式傳感器的典型應用。本測控系統(tǒng)采用博世力士樂傳感實驗裝置，由傳感器實驗臺、直流穩(wěn)壓電源、傳感器、直流電機和信號處理電路模塊組成。
1．1 基本結構
電感式傳感器的激勵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)學模型。
式(1)中L為電感量，N為線圈的匝數(shù)，μ為氣隙導磁率，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。假設起始位置的氣隙為δo，對應的初始電感為Lo，且S固定不變，當δ有細微變化為△δ時，引起的自感量的變化量dL為(忽略高次項)：
1．2 工作原理
電感式傳感器是建立在電磁場理論基礎上，是利用被測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，從而導致線圈電感量變化來實現(xiàn)非電量測量。
當交流電流過線圈時，線圈產生交變磁場，該磁場通過鐵心并指向鐵心一側，即傳感器的激勵端。當有金屬物體或磁性物體接近傳感器激勵端時會造成磁場變形。使用計算機模擬可獲得磁場狀態(tài)圖，如圖2所示。從圖2可以看出導電材料(如鋼板)接近激勵端時的磁場效應，變化的磁場導致傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化。
傳感器線圈構成變壓器初級繞組，金屬板構成短路次級繞組，如圖3所示。由于電感耦合作用，在次級回路中產生的感應電流i2又反作用于初級回路，從而產生互感系數(shù)M12。最終使得線圈本身的阻抗發(fā)生變化。通過與理想變壓器回路比較，可得出以下結論：
綜上所述，當有導電材料接近傳感器時，線圈的阻抗Z實值增加，其值等于線圈電阻R1加上R2、L2、M12及ω產生的阻抗。經驗表明，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的測量變化。電感式傳感器只能利用阻抗Z的實值變化量檢測導電材料被測物體。
2 工業(yè)應用
2．1 功能分析
對鋼珠的標稱直徑(9．000mm)進行控制，允許公差范圍為±3μm，在此范圍之內為合格產品，應予保留，超出此范圍即為次品，應予剔除，并自動統(tǒng)計合格產品與次品的數(shù)量。將拾取信號(誤差信號)與對標準信號(9 mm值)對比，如果在±3μm范圍內，則合格產品自動計數(shù)(C1=Cn1+1)，如果超出這個范圍，則次品自動計數(shù)(C2=Cn2+1)，當合格產品數(shù)與次品數(shù)只和等于產品總數(shù)時，自動退出檢測系統(tǒng)。電路設計流程如圖4所示。
2．2 系統(tǒng)框圖設計
根據(jù)電感傳感器的工作原理，配合電氣動控制電路，設計檢測電路。該電路分為機械控制和電氣測量兩個電路部分。機械控制部分主要完成電感傳感器的選擇、鋼珠的推動與定位、氣缸和料箱翻板控制功能；電氣測量部分主要完成信號拾取、信號處理和執(zhí)行顯示功能。檢測過程中，可以采用數(shù)字示波器進行輸出信號的動態(tài)觀察和測量。鋼珠直徑分選器測控系統(tǒng)電路原理框圖如圖5所示。
2．3 工作原理
2．3．1 機械控制電路
當氣缸進氣口A有0．8 MPa的高壓進氣時，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。檢測過程中，活塞將受到電磁閥驅動電路的控制，活塞的出氣口B改為進氣口輸入0．8 MPa的高壓氣，進氣口A改為出氣口排除活塞內的氣體，活塞自動恢復初始狀態(tài)，等待下一次鋼珠的到來。為了精確地計數(shù)每個鋼球的尺寸，以9 mm為鋼珠的標準直徑，按1 μm差值為單位劃分-3、-2、-1、0、1、2、3 μm、次品8個等級，對應8個收料箱，每個收料箱上端的翻板都是可控制的活動板，由8個與之一一對應的電磁鐵驅動電路控制，最后通過計數(shù)裝置將每個尺寸鋼球的統(tǒng)計結果反饋給計算機并顯示出來。
2．3．2 電氣測量電路
1)信號拾取模塊
本例中，考慮到1 μm數(shù)量級的檢測精度比較高，檢測傳感器的選擇是否得當對最后的結果影響很大，選擇合適的傳感器可以將干擾減少到最少。所以采用AD698高精度線性差動式電感傳感器(LVDT：Linear Variable Differential Transformer)為信號拾取電路，以磁芯的機械位移為輸入，交流電壓信號為輸出，該電壓與磁芯位置成正比。傳感器初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，兩個次級線圈反向串聯(lián)，磁芯的移動可改變初級線圈之間的耦合磁通，從而產生兩個幅值不同的交流電壓信號，以滿足后續(xù)電路的信號要求。
2)信號處理模塊
由相敏檢波電路、標準信號設置電路、電壓比較放大電路和電磁驅動電路組成。以相敏檢波電路為核心，完成鑒別調制信號相位和選頻功能，如圖6所示。
①相敏檢波電路
電路組成：4個性能一致的整流二極管VD1～VD4串聯(lián)成一個閉合的電橋，4個節(jié)點a、b、c、d分別接在變壓器T1、T2的次級線圈上，輸入信號uyi與檢波器的參考電壓uyo分別經過T1、T2夾在電橋的兩個對角，電橋中電阻R1～R4為限流電阻，阻值都為R，起保護所在橋臂二極管的作用。u0>>uyi=u1+u2，且與uyi同頻，以保證準確控制4個二極管的導通狀態(tài)。
②工作原理：當銜鐵在零點(中點)以上移動，即位移x(t)>0時，uyi與uyo同頻同相。
當uyi與uyo都是正半周時，T1的次級線圈輸出電壓u1為上正下負，根據(jù)同名端標識，u2也為上正下負；T2的次級線圈輸出電壓u01為左正右負，根據(jù)同名端標識，u02也為左正右負。根據(jù)電路分析原理可知，各級變壓器的次級輸出為：
(其中，“-”反映了相位的關系，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，負向位移輸出負電壓)，各電壓之間的波形圖如圖7所示。
如圖7，ux1的每個周期可以分為4個階段：
第1階段：正半周上升段，ux1>0，且呈增大趨勢，可知為銜鐵向上運動；
第2階段：正半周下降段，ux1>0，且呈減小趨勢，可知為銜鐵向下運動；
第3階段：負半周下降段，ux1<0，且呈增大趨勢，可知為銜鐵向下運動；
第4階段：負半周上升段，ux1<0，且呈減小趨勢，可知為銜鐵向上運動。
③其他電路
為了便于分析，由R1、RP1、RP2 3電阻組成9mm、9mm±3μm、任意標準等級設置成標準信號檔，可以通過選擇不同的標準檔，滿足各種標準量與相敏檢波信號(誤差信號)進行比較。
當信號相同(在誤差范圍內)時，則通過電壓放大器，驅動電磁控制器1～7，打開相應的鋼珠收料箱，并統(tǒng)計個數(shù)。當信號不相同(超出誤差范圍)時，則通過電壓比較放大器，驅動電磁控制器8，打開次品鋼珠收料箱，并統(tǒng)計個數(shù)，如圖8所示。
3 信號執(zhí)行模塊
將選擇結果通過計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、打印和顯示功能。
4 結論
該電路系統(tǒng)選用AD698高精度線性差動式電感傳感器，將其所檢測的細微位移量經過相敏檢波、比較放大等信號處理電路，轉換為相應的電壓信號，輔以合適的電氣動控制電路，最后通過電磁驅動器、計數(shù)器把信號傳輸給計算機，實現(xiàn)顯示、打印、存儲功能，這是該電路的優(yōu)點。但也存在不足和問題，電路中需要設計很多個電磁驅動電路，可能會出現(xiàn)誤動作，可嘗試在電路中利用信號互鎖作用，實現(xiàn)當其中某一個收料箱動作時，其他收料箱均不發(fā)生動作，以此來克服這個問題。