电感式传感器论文：模拟量式电感传感器在螺纹孔径识别中的应用

模拟量式电感传感器在螺纹孔径识别中的应用 陈育中1, 2 ( 1. 河海大学, 江苏 南京 � 210098; 2.江苏联合职业技术学院 南京分院, 江苏 南京 � 210019) 摘 � 要:对一种新型的电感式传感器装置进行了研究,着重介绍了该传感器的工作原理及基本结构、孔径识别系统的框 图设计、实验验证 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和工业应用。利用电感式传感器的输出模拟量电流值与金属被测物体之间的距离关系, 构建新颖的 检测系统,实现对机械设备上安装不同直径螺孔的识别。通过实验室试验装置验证, 结果与理论测量值相一致。该检测系 统新颖、实用、可靠,价格低廉, 稳定系数高,具有较高的精度和测量范围,应用价值良好。 关键词:模拟量式; 电感传感器; 螺纹孔径; 孔径识别 中图分类号: T N919�34 � � � � � 文献标识码: A � � � � � 文章编号: 1004�373X( 2010) 18�0148�03 Application of Analog Inductive Sensor in Screw�type Aperture Recognition CH EN Yu�zhong1, 2 ( 1. Hohai University, Nanjing 210019, China; 2. Jiangsu U nion T echnical Inst it ut e, Nanjing 210019, China) Abstract: A new type of inductive sensor devices is studied. The basic w orking principle of the sensor, structure o f the aperture identification system, analysis of experimental v erification and industrial applications are pr esented amphatically. A new test ing system was built by means of the distance relationship between the analog current output value of inductive senso r and the measured metal ob� ject to implement the identification of the different diameter screw s installed on mechanical equipments. The experimental result ob� tained in the laboratory is consistent w ith the theoretical calculation value. The new detection system is practical, reliable, and also has the advantag es of low cost, high stability coefficient, high accuracy and wide measuring range. Keywords: ana log quantity ; inductiv e sensor ; screw�type aper ture; apert ur e identif ication 收稿日期: 2010�04�13 � � 现代工业中螺丝作为最主要的紧固件之一,需求量 很大,对于不同的孔径, 螺钉与螺帽的匹配问题尤为关 键,精密设备中微小差异都可能带来传动、电动装置的 系统问题,因此钻削和攻丝技术的发展已被迅速地提上 议事日程。 最早的螺纹孔检测是通过人工完成的,即操作者将 螺栓或量计旋入孔内进行检测。然而, 人工方法因劳动 强度大,成本高等问题逐渐被自动化检测法 [ 1]所代替。 在此研究的一款即是利用先进传感器而实现的对金属 螺孔的细微检测。 1 � 电感式传感器的基本概念 1. 1 � 基本结构及灵敏度 电感式传感器的激励元件由线圈和铁氧体磁心组 成(见图 1)。式( 1)为电感式传感器的数学模型 [ 1�2]。 L = ( N 2�S ) / ( 2�) (1) 式中: L 为电感量; N 为线圈的匝数; �为气隙导磁率; S 为气隙截面积; �为气隙厚度。 由式(1) 可知,线圈电感量 L与气隙厚度�成反比, 与气隙截面积 S 成正比。假设起始位置的气隙为 �0 , 对 应的初始电感为 L 0 ,且 S 固定不变,当 �有细微变化为 �时, 引起自感量的变化量 dL 为(忽略高次项) [ 3] : L L 0 = ��0 � �= ��0 11 � �/ �0 � � 灵敏度 K �为: K � = L �= L 0�0 = N 1�S2�20 图 1 � 电感式传感器的基本组成 1. 2 � 工作原理 电感式传感器是建立在电磁场理论基础上的, 是 利用被测量磁路磁阻变化引起传感器线圈自感或互感 系数的变化, 从而导致线圈电感量变化来实现非电量 测量 [ 3�4]。 当交流电流过线圈时, 线圈产生交变磁场, 该磁场 通过铁心并指向铁心一侧,即传感器的激励端。当有金 148 传 感 器 技 术 陈育中:模拟量式电感传感器在螺纹孔径识别中的应用 属物体或磁性物体接近传感器激励端时会造成磁场变 形。使用计算机模拟可获得磁场状态图(见图 2)。从 图 2可以看出, 导电材料(如钢板)接近激励端时的磁场 效应,变化的磁场导致传感器线圈的阻抗发生变化。集 成在传感器中的电路测出线圈阻抗的变化,并转换为开 关信号输出,图 3示出其检测流程图[ 2]。 图 2� 磁场状态图 图 3 � 检测流程图 2 � 系统框图设计 根据电感式传感器的基本概念,结合本文研究的内 容及要求,设计了基于电感式传感器的自动检测系统框 图[ 5�7] ,如图 4所示。 图 4� 基于电感式传感器的自动检测系统框图 3 � 硬件电路设计 设计中采用德国博世公司提供的实验试件 St37 (钢 40 mm 宽)制成测量标记,并作为标准被测材料,当 材料试件接触传感器时, 超声波距离传感器测量装置将 显示一个参考值。通过改变试件与电感传感器激励端 间的距离,测定其输出电流的大小,用以确定该传感器 的可检测范围区域。模拟量式电感传感器 IA[ 8] 在确定 阻尼板与传感器之间距离的情况下,输出与传感器之间 距离成比例的模拟信号。 本文通过带超声波传感器的信号调理电路与电流 表显示,确定系统输入信号与输出信号之间的关系。由 此得出模拟量输出电感式传感器的线性检测区域。 图 5为检测接线图 (红色相连的为电源正极性等电位 点,蓝色相连的为电源负极性等电位点)。 4 � 螺纹孔径识别应用 电感式模拟量输出传感器的输出模拟量电流值取 决于传感器与金属被测物体之间的距离。对金属板上 不同直径安装螺孔的检测是很重要的应用案例 [ 9�10] , 如 图 6所示。 图 5 � 检测连线图 图 6� 螺纹孔径检测应用案例 图 6 中以带 3 个安装螺孔的铝板 ( 80 mm 80 mm)用作被测工件, 将铝板安装在非旋转试件托架 上, 并与支架导轨平行。高度补偿器在距离导轨 4 mm 处, 与导轨平行安装。电感器模拟量输出传感器安装在 高度补偿器上。由于之前已确定模拟量式电感传感器 的线性测定范围,所以此时的电流表不在接于超声波传 感器之上,而接在电感式传感器上。 将 6 mm 圆孔对准传感器中心, 同时将相邻的 12 mm圆孔置于传感器的检测范围之外(此要求也同样 适用于企业检测时传送带上金属材料之间的距离)。依 次将 12 mm 与 15 mm 的圆孔移动传感器激励端的中 心位置处,并确保相邻的圆孔不会被检测到。记录测量 电流值如表 1所示。 表 1 � 使用电感式模拟量输出传感器检测不同的螺纹孔径 工件螺纹孔径 / mm 6 12 15 电流模拟量值/ mA 11. 14 30. 06 33. 42 5 � 数据分析与处理 所测数据经拟合,如图 7所示。 由图 7可见,对于该款电感式模拟量输出传感器, 在 3 mm 到 10 mm 范围之间, 电流从 0 mA 变化到 149 !现代电子技术∀2010年第 18期总第 329期 � � 新型元器件 25 mA,且距离与电流成线性关系; 超出此范围之外,距 离与电流成非线性关系, 在此范围( 3~ 10 mm)内, 电感 式模拟量输出传感器不会产生迟滞。因此,电感式模拟 量输出传感器适用于对指定材料的距离进行测量。 图 7� 模拟量式电感器电流路径特性曲线拟合 6 � 结 � 语 模拟量式电感传感器能够提供一个与物体位移成 比例的电流或电压信号, 通过不同的测量电流或电压测 量值,可以估算出圆孔直径的大小。实际测量中, 侧向 精度与圆孔的直径大小及材料有关,如果圆孔的直径越 小,模拟量式电感传感器输出的衰减越大, 检测螺纹孔 径的微小差距就相对比较精确。当然, 对于圆孔材料, 铝材料的换算系数为 0. 42,而高级钢换算系数为 0. 72, 铝材料的换算系数相对较小,因此使用高换算系数的材 料会提高本款测试系统的灵敏度,以便完成可靠的检测 和控制任务。 参 � 考 � 文 � 献 [ 1] 王伯雄.测试技术基础[ M ] . 北京:清华大学出版社, 2003. 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