基于电感传感器的钢珠直径分选器设计

传感器是采集和获取信息的工具，又称“电五官”。传感器及其技术应用非常广泛，已经渗透到家居、农业、工业、医学、军事、环保、交通等各行各业，对系统的自动化程度和测控质量起着重要的作用。现代工业生产中，常需要测量并判别钢珠工件的直径是否在允许范围之内，需要与一标准直径进行比较才能得出结论，仅凭人工检测在速度、精度上都不现实，必须借助先进的技术实现自动检测。有效地获取被测信号是关键所在，获取信号的最佳元器件就是传感器，本文选用电感传感器(Irductance Type Transducer)作为信号拾取源，将被测部件几何尺寸的微小变化转换为线圈的电感变化实现测量，具有工作可靠、灵敏度高、寿命长、线性好、分辨率高、精度高、性能稳定和重复性好等优点。

1 电感传感器
    在测量技术中。电感传感器广泛用于加速度、位移、振幅、转速、无损探伤等非电量的测量。在其控制系统中，钢珠直径分类选择器(简称分选器)是1个微位移检测装置，实现对钢珠尺寸的检测与计数，是电感式传感器的典型应用。本测控系统采用博世力士乐传感实验装置，由传感器实验台、直流稳压电源、传感器、直流电机和信号处理电路模块组成。
1．1 基本结构
    电感式传感器的激励元件由线圈和铁氧体磁心组成，如图1所示。式(1)为电感式传感器的数学模型。
   

    式(1)中L为电感量，N为线圈的匝数，μ为气隙导磁率，S为气隙截面积，δ为气隙厚度。
    可知，线圈电感量L与气隙厚度δ成反比，与气隙截面积S成正比。假设起始位置的气隙为δo，对应的初始电感为Lo，且S固定不变，当δ有细微变化为△δ时，引起的自感量的变化量dL为(忽略高次项)：
   

1．2 工作原理
    电感式传感器是建立在电磁场理论基础上，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。
    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，如图2所示。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。

    传感器线圈构成变压器初级绕组，金属板构成短路次级绕组，如图3所示。由于电感耦合作用，在次级回路中产生的感应电流i2又反作用于初级回路，从而产生互感系数M12。最终使得线圈本身的阻抗发生变化。通过与理想变压器回路比较，可得出以下结论：
  

    综上所述，当有导电材料接近传感器时，线圈的阻抗Z实值增加，其值等于线圈电阻R1加上R2、L2、M12及ω产生的阻抗。经验表明，阻抗Z的虚值只表明传感器线圈与金属板之间有很小间距时的测量变化。电感式传感器只能利用阻抗Z的实值变化量检测导电材料被测物体。

2 工业应用
2．1 功能分析
    对钢珠的标称直径(9．000mm)进行控制，允许公差范围为±3μm，在此范围之内为合格产品，应予保留，超出此范围即为次品，应予剔除，并自动统计合格产品与次品的数量。将拾取信号(误差信号)与对标准信号(9 mm值)对比，如果在±3μm范围内，则合格产品自动计数(C1=Cn1+1)，如果超出这个范围，则次品自动计数(C2=Cn2+1)，当合格产品数与次品数只和等于产品总数时，自动退出检测系统。电路设计流程如图4所示。

2．2 系统框图设计
    根据电感传感器的工作原理，配合电气动控制电路，设计检测电路。该电路分为机械控制和电气测量两个电路部分。机械控制部分主要完成电感传感器的选择、钢珠的推动与定位、气缸和料箱翻板控制功能；电气测量部分主要完成信号拾取、信号处理和执行显示功能。检测过程中，可以采用数字示波器进行输出信号的动态观察和测量。钢珠直径分选器测控系统电路原理框图如图5所示。

2．3 工作原理
2．3．1 机械控制电路
    当气缸进气口A有0．8 MPa的高压进气时，气缸前室残留气体由B口排除，活塞自左向右推行，将放料口的钢珠推向电感传感器的下方，供其拾取信号。检测过程中，活塞将受到电磁阀驱动电路的控制，活塞的出气口B改为进气口输入0．8 MPa的高压气，进气口A改为出气口排除活塞内的气体，活塞自动恢复初始状态，等待下一次钢珠的到来。为了精确地计数每个钢球的尺寸，以9 mm为钢珠的标准直径，按1 μm差值为单位划分-3、-2、-1、0、1、2、3 μm、次品8个等级，对应8个收料箱，每个收料箱上端的翻板都是可控制的活动板，由8个与之一一对应的电磁铁驱动电路控制，最后通过计数装置将每个尺寸钢球的统计结果反馈给计算机并显示出来。
2．3．2 电气测量电路
    1)信号拾取模块
    本例中，考虑到1 μm数量级的检测精度比较高，检测传感器的选择是否得当对最后的结果影响很大，选择合适的传感器可以将干扰减少到最少。所以采用AD698高精度线性差动式电感传感器(LVDT：Linear Variable Differential Transformer)为信号拾取电路，以磁芯的机械位移为输入，交流电压信号为输出，该电压与磁芯位置成正比。传感器初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，两个次级线圈反向串联，磁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁通，从而产生两个幅值不同的交流电压信号，以满足后续电路的信号要求。
    2)信号处理模块
    由相敏检波电路、标准信号设置电路、电压比较放大电路和电磁驱动电路组成。以相敏检波电路为核心，完成鉴别调制信号相位和选频功能，如图6所示。

    ①相敏检波电路
    电路组成：4个性能一致的整流二极管VD1～VD4串联成一个闭合的电桥，4个节点a、b、c、d分别接在变压器T1、T2的次级线圈上，输入信号uyi与检波器的参考电压uyo分别经过T1、T2夹在电桥的两个对角，电桥中电阻R1～R4为限流电阻，阻值都为R，起保护所在桥臂二极管的作用。u0>>uyi=u1+u2，且与uyi同频，以保证准确控制4个二极管的导通状态。
    ②工作原理：当衔铁在零点(中点)以上移动，即位移x(t)>0时，uyi与uyo同频同相。
    当uyi与uyo都是正半周时，T1的次级线圈输出电压u1为上正下负，根据同名端标识，u2也为上正下负；T2的次级线圈输出电压u01为左正右负，根据同名端标识，u02也为左正右负。根据电路分析原理可知，各级变压器的次级输出为：

    (其中，“-”反映了相位的关系，相差180°)
    总之，相敏检波电路的输出电压的变化规律反映了位移的变化规律，即ux1的大小反映了位移x(t)的大小变化，其极性反映了位移x(t)的方向(正向位移输出正电压，负向位移输出负电压)，各电压之间的波形图如图7所示。

    如图7，ux1的每个周期可以分为4个阶段：
    第1阶段：正半周上升段，ux1>0，且呈增大趋势，可知为衔铁向上运动；
    第2阶段：正半周下降段，ux1>0，且呈减小趋势，可知为衔铁向下运动；
    第3阶段：负半周下降段，ux1<0，且呈增大趋势，可知为衔铁向下运动；
    第4阶段：负半周上升段，ux1<0，且呈减小趋势，可知为衔铁向上运动。
    ③其他电路
    为了便于分析，由R1、RP1、RP2 3电阻组成9mm、9mm±3μm、任意标准等级设置成标准信号档，可以通过选择不同的标准档，满足各种标准量与相敏检波信号(误差信号)进行比较。
    当信号相同(在误差范围内)时，则通过电压放大器，驱动电磁控制器1～7，打开相应的钢珠收料箱，并统计个数。当信号不相同(超出误差范围)时，则通过电压比较放大器，驱动电磁控制器8，打开次品钢珠收料箱，并统计个数，如图8所示。

3 信号执行模块
    将选择结果通过计算机，实现数据存储、打印和显示功能。

4 结论
    该电路系统选用AD698高精度线性差动式电感传感器，将其所检测的细微位移量经过相敏检波、比较放大等信号处理电路，转换为相应的电压信号，辅以合适的电气动控制电路，最后通过电磁驱动器、计数器把信号传输给计算机，实现显示、打印、存储功能，这是该电路的优点。但也存在不足和问题，电路中需要设计很多个电磁驱动电路，可能会出现误动作，可尝试在电路中利用信号互锁作用，实现当其中某一个收料箱动作时，其他收料箱均不发生动作，以此来克服这个问题。