涡流接近开关的工作机理
涡流接近开关与常规的涡流传感器相类似,它也含有高频激励线圈,工作时通以稳频稳幅的大幅值交流电流;还有一个线圈为检测线圈,不接外部激励源,其功能在于感应涡流磁信号。由这两个线圈构成涡流开关的探头。在激励线圈的激励作用下, 探头周围产生磁场。当没有金属物体进入磁场时,检测线圈获得的信号幅值{zd0},一旦有金属体进入磁场时,金属体内便形成电涡流,并对探头中的激励信号产生反作用,检测线圈获得的信号幅值将会大幅度减小。这一过程可以等效为高频信号的调制过程,它的原理框图如图1 中虚线框所示,它包括高频起振器、阈值比较器和开关输出电路几个部分。图中 Vdc表示直流电源,RS 表示上拉电阻。
简言之,涡流开关就是利用涡流效应来控制高频振荡器的起振和停振两种状态,从而将金属体位置信号转换成“0”(0Vdc 的低电平) 和“1”( Vdc 的高电平) 的开关量。目前,涡流开关大多采用NPN 或者PNP 晶体管获取方波脉冲,详情请见文献。
图1 涡流开关原理框图
为了研究涡流开关的结构参数和电磁参数的相互影响特性,需要首先获得它的等效电路模型。为了处理方便起见,可以将与激励线圈相耦合的被测导体所形成的涡流看作单匝电流环,简称涡流短路环,可得等效电路模型的表达式为:
I1 ( R1 jωL1) - jωM I2 = U1
I2 ( R2 jωL2) - jωM I1 =0 (1)
式中U1 和I 1 激励电压和电流; R1 和L1 分别为激励线圈的电阻和电感; I2 为涡流电流强度; R2 和L2 分别为涡流短路环的等效电阻和等效电感; M 为激励线圈与涡流短路环之间的互感系数;为高频激励电源的角频率。
激励线圈与涡流环间的互感M 可表示为
M = (1 -x/(x^2 r12^2))
R2^2 ωn^2L 2^2/ωn (2)
式中:ωn 为LC 振荡器频率; R2 和L2 分别为涡流短路环的等效电阻和等效电感; r12为探头半径。
在不考虑涡流分布不均匀的情况下,且用有效值表示时,激励电流I1 、涡流电流I 2 以及探测间隙x 之间满足下面的表达式
I 2 = I 1[ 1 -x/(x^2 r12^2)] (3)
根据毕奥- 沙伐- 拉普拉斯定理可知, N 匝载流导线在轴上产生的磁感应强度,再通过积分计算可得到整个扁平线圈在轴线上x 点处产生的磁感应强度Bx 的表达式为:
(4)
分析式( ) ( ) 可知,互感M、涡流强度I 和磁感应强度Bx 既受涡流结构参数的影响,还受到探测间隙的影响。为了获得涡流开关它的{zj0}工作性能,必须合理选择探测间隙和涡流开关型号。
被测金属体的结构尺寸,包括它的齿高l 、齿宽b、齿厚h 和相邻齿的齿距w。涡流短路环的内半径r a、外半径r b 和涡流环轴向厚度hS ,可分别用下面的方法估算:
r a≈014 d12 (5)
r b≈017 d 12 (6)
hS =
2ρ2
ωμ
(7)
式中ρ2 和μ 分别为被测金属体的电阻率和磁导率。分析式(5) 和(6) 表明,涡流短路环的内半径r a 和外半径r b 仅仅取决于探头尺寸r 12 ,与被测体材料无关。分析式(7) 可知,涡流环轴向厚度hS 尺寸取决于金属材料和激励电源频率。经过推导获得反映齿轮转速快慢的脉冲信号频率f与齿轮线速度v 之间的关系表达式为:
v = Df (8)
式中D 为齿间隔尺寸,它可以表示为齿轮的齿宽b与齿距w 之和,即:
D = b w (9)
2 测试系统
本文所选用的NPN 型涡流开关的典型参数为:探头本体直径为18mm ,响应频率为2kHz ,额定探测间隙为12mm ,采用24V 直流电源供电。利用该涡流开关测量齿轮的线速度。整个检测系统框图如图2 所示,它包括齿轮驱动机构、涡流开关、后续处理系统和计算机系统几个环节。后续处理系统主要由涡流开关的接收电路、光隔离电路组成。图中RS 为上拉电阻, RL 为光隔离电路的限流电阻, RT 为光隔离电路的上拉电阻,6N137 为光耦合器。
整个测试系统的工作原理简述为:由驱动机构拖动齿轮高速旋转,涡流开关获得反映齿轮转速快慢的脉冲信号,将该信号经由后续处理系统完成电平转换和电气隔离传输到计算机系统,采集得到脉冲信号的频率,由公式(8) 计算齿轮线速度。
( ) 涡流开关接收电路
NPN 型涡流和上拉电阻RS 组成的接收电路如图3 所示,当晶体管处于静态时,输出电压为电源电压 Vdc , 它在电路上类似于T TL 逻辑, 可以与之兼容。若晶体管饱和时,输出转为0Vdc 的低电平,反之,由零跳向正电压。由于接上拉电阻轴之后,晶体管的集电极与涡流开关后续处理的电源可以互不相干,因而,它既可获得与涡流开关的电源电压不同的电平信号,还能降低电缆长度和脉冲频率的不良影响。
(2) 光隔离电路
光耦合器(optical coupler) 称光电隔离器或光电藕合器,简称光藕。它是以光为媒介传输电信号的器件,通常把发光器与受光器封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电- 光- 电”的转换。光藕的特点是:输入与输出xx电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、仪器仪表、通信设备及微机等许多接口电路中。
光藕的主要技术参数有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、集电极- 发射极饱和压降VCE ( sat) 等。
6N137 光隔离是一种很常用的高速信号隔离形式。
由于其电路简单、性能优越,在数字隔离电路或数据传输电路中被常常采用。(3) 测试条件相邻两个齿的间隔尺寸为32mm ,齿厚h 为4mm ,齿高l 为40mm ,齿宽b 为14mm ,本测试系统实际探测间隙为8mm(小于它的额定值) ,齿轮材料为硬铝,直流电源电压为2410V。
3 测试结果
涡流开关在不同上拉电阻( 1 Ω、31 Ω、1 Ω和1 Ω) 时,其输出信号频率f 与齿轮线速度关系曲线线性度存在明显区别。利用最小二乘法拟合得到:
v1 = 3118 f - 01466 (10)
v2 = 3213 f - 01162 (11)
v3 = 3211 f 01041 (12)
v4 = 3115 f 01107 (13)
四条测试曲线分别示意于图4 中, 拟合曲线f - v获得的斜率与其理论值32 相比, 相对误差分别为:
01625 %、019375%、013125 %和115625 %。可见, 上拉电阻为110k 时的相对误差最小。
因此,在保证涡流开关正常工作的前提下,适当减小上拉电阻可有效提高输出信号频率f 与齿轮线速度v 的关系曲线的线性度。不过,上拉电阻过小,会增加电源的负担,另外,阻值太小,其功率要求也越高,需权衡而定。
图5 和6 表示测试系统没有接上拉电阻时涡流开关的输出波形。分析图5 和6 可知,在其它参数相同时,上拉电阻对涡流开关输出波形质量影响非常明显。尤其是,当转动盘速度不断增加时,其输出波形的畸变程度也越严重,即输出波形将会由方波→锯齿波→三角波,波形的这种明显变化。
图7 通道1 表示测试系统没有接上拉电阻时涡流开关的输出波形,通道2 表示接上拉电阻110kΩ 时涡流开关的输出波形。对比分析通道1 和2 的波形可知,在其它参数相同时,接上拉电阻110k 之后,涡流开关输出波形质量明显比没有接上拉电阻时高得多(波形仍然是方波) 。
结论
由于探测间隙、被测体宽度尺寸和上拉电阻等均会影响涡流开关输出波形质量,在构建齿轮转速测试系统时,需要根据涡流开关的具体型号,确定{zj0}探测间隙,选择合适的上拉电阻值,确保测试系统的准确性和可靠性。
（leimmmmm）
