模拟量式电感传感器在螺纹孔径识别中的应用

   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。

　　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。

　　式中: L 为电感量; N 为线圈的匝数; L 为气隙导磁率;S 为气隙截面积; D为气隙厚度。

图1 电感式传感器的基本组成

　　由式( 1) 可知, 线圈电感量L 与气隙厚度D成反比,与气隙截面积S 成正比。假设起始位置的气隙为D0 , 对应的初始电感为L0 , 且S 固定不变, 当D有细微变化为$D时, 引起自感量的变化量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。

　　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( 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。

　图2 磁场状态图

　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, 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 , 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。

　　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。