基于電感傳感器的鋼珠直徑分選器設(shè)計(jì)

傳感器是采集和獲取信息的工具，又稱(chēng)“電五官”。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?，F(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(Irductance 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(xiàn)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(xiàn)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。在其控制系統(tǒng)中，鋼珠直徑分類(lèi)選擇器(簡(jiǎn)稱(chēng)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 基本結(jié)構(gòu)
電感式傳感器的激勵(lì)元件由線(xiàn)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。

式(1)中L為電感量，N為線(xiàn)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(xiàn)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δo，對(duì)應(yīng)的初始電感為L(zhǎng)o，且S固定不變，當(dāng)δ有細(xì)微變化為△δ時(shí)，引起的自感量的變化量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，是利用被測(cè)量磁路磁阻變化引起傳感器線(xiàn)圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線(xiàn)圈電感量變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。
當(dāng)交流電流過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)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(xiàn)圈的阻抗發(fā)生變化。

傳感器線(xiàn)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(xiàn)圈本身的阻抗發(fā)生變化。通過(guò)與理想變壓器回路比較，可得出以下結(jié)論：

綜上所述，當(dāng)有導(dǎo)電材料接近傳感器時(shí)，線(xiàn)圈的阻抗Z實(shí)值增加，其值等于線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)直徑(9．000mm)進(jìn)行控制，允許公差范圍為±3μm，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±3μm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)。電路設(shè)計(jì)流程如圖4所示。