基于電感傳感器的鋼珠直徑分選器設計

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、工業、醫學、軍事、環保、交通等各行各業，對系統的自動化程度和測控質量起著重要的作用。現代工業生產中，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、精度上都不現實，必須借助先進的技術實現自動檢測。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、性能穩定和重復性好等優點。

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。在其控制系統中，鋼珠直徑分類選擇器(簡稱分選器)是1個微位移檢測裝置，實現對鋼珠尺寸的檢測與計數，是電感式傳感器的典型應用。本測控系統采用博世力士樂傳感實驗裝置，由傳感器實驗臺、直流穩壓電源、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學模型。

式(1)中L為電感量，N為線圈的匝數，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的變化，從而導致線圈電感量變化來實現非電量測量。
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M12。最終使得線圈本身的阻抗發生變化。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，并自動統計合格產品與次品的數量。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(C1=Cn1+1)，如果超出這個范圍，則次品自動計數(C2=Cn2+1)，當合格產品數與次品數只和等于產品總數時，自動退出檢測系統。電路設計流程如圖4所示。