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      德國(guó)SICK施克電感式傳感器IQ80-60NPP-KK0的輸出類型解析

SICK電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。利用SICK電感式傳感器，能對(duì)位移、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)及測(cè)量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)較慢，不宜于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量，而且傳感器的分辨率與測(cè)量范圍有關(guān)，測(cè)量范圍大，分辨率低，反之則高。

SICK電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化, 再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出。

SICK電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 工作可靠, 測(cè)量精度高, 零點(diǎn)穩(wěn)定, 輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn), 其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應(yīng)低, 不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。

SICK電感式傳感器種類很多，常見的有自感式傳感器，互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。

SICK電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測(cè)量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。

變磁阻式傳感器

當(dāng)一個(gè)線圈中電流i變化時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e，這種現(xiàn)象稱之為自感。產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)稱為自感電勢(shì)。變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

特點(diǎn)：變磁阻式傳感器具有很高的靈敏度，這樣對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大倍數(shù)要求低。但是受氣隙δ寬度的影響，該類傳感器的測(cè)量范圍很小。

可變磁阻式傳感器自感

自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。

靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度S愈高。為了減小非線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，一般取。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001～1 mm。

差動(dòng)變壓器式傳感器

互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。

差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性；同時(shí)，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。因此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。變隙式傳感器的結(jié)構(gòu)

電渦流式傳感器

金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中旋渦一樣在導(dǎo)體轉(zhuǎn)圈，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)。 根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。

SICK電感式傳感器分為 3 種類型：改變氣隙厚度 δ 的自感傳感 器，即變間隙式電感傳感；改變氣隙截面 S 的自感傳感器，即 變截面式電感傳感器；同時(shí)改變氣隙厚度 δ 和氣隙截面 S 的自 感傳感器，即螺管式電感傳感器。

變間隙型電感傳感器

這種傳感器的氣隙 δ 隨被測(cè)量的變 化而改變，從而改變磁阻。 它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增 大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧． δ 一般取在 0． 1 ～ 0． 5 毫 米之間。

改變面積型電感傳感器

這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的 相對(duì)覆蓋面積( 即磁通截面) 隨被測(cè)量的變化而改變，從而改 變磁阻． 它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 螺管插鐵型電感傳感器。 它由螺管線圈和與被測(cè)物體相連 的柱型銜鐵構(gòu)成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻 的變化。 銜鐵隨被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。這種傳 感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作。

螺管插鐵型電感傳感器

它由螺管線圈和與被測(cè)物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作。

傳感器作為采集和獲取信息的工具，對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè)和質(zhì)量監(jiān)測(cè)起著重要作用。SICK電感式傳感器是一種互感式電感傳感器，它可將微小的機(jī)械量，如位移、振動(dòng)、壓力造成的長(zhǎng)度、內(nèi)徑、外徑、不平行度、不垂直度、偏心、橢圓度等非電量物理量的幾何變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的微小變化，轉(zhuǎn)化為電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，是一種靈敏度較高的傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、抗阻抗能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種工程物理量檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中 [3]  。

比如:用電感式位移傳感器提高軸承制造的精度；用電感測(cè)微儀測(cè)量微小精密尺寸的變化；實(shí)現(xiàn)液壓閥開口位置的精準(zhǔn)測(cè)量；用于設(shè)計(jì)智能紡織品的柔性傳感器；用電感傳感器原理的孔徑錐度誤差測(cè)量?jī)x；用電感傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油中磨粒；用電感傳感器監(jiān)測(cè)吊具導(dǎo)向輪等等 。

電感傳感器還可用作磁敏速度開關(guān)、齒輪齡條測(cè)速等，該類傳感器廣泛應(yīng)用于紡織、化纖、機(jī)床、機(jī)械、冶金、機(jī)車汽車等行業(yè)的鏈輪齒速度檢測(cè)，鏈 輸送帶的速度和距離檢測(cè)，齒輪齡計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)速表及汽車防護(hù)系統(tǒng)的控制等。另外該類傳感器還可用在給料管系統(tǒng)中小物體檢測(cè)、物體噴出控制、斷線監(jiān)測(cè)、小零件區(qū) 分、厚度檢測(cè)和位置控制等。

電感式位移傳感器利用導(dǎo)線制成特定的線圈繞組，根據(jù)其位移量的變化而使繞組線圈的白感量或是互感量發(fā)生變化來進(jìn)行位移測(cè)量，因此根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理電感式位移傳感器可分為自感型和互感型兩大類。

電感式位移傳感器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)科科學(xué)技術(shù)上，尤其是在白動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)械加工與測(cè)量行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。

SICK電感式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠；

(2) 靈敏度高，最高分辨力達(dá)0.1μm ；

(3) 測(cè)量精確度高，輸出線性度可達(dá)±0.1% ；

(4) 輸出功率較大，在某些情況下可不經(jīng)放大，直接接二次儀表。

其缺點(diǎn)是：

(1) 傳感器本身的頻率響應(yīng)不高，不適于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量；

(2) 對(duì)激磁電源的頻率和幅度的穩(wěn)定度要求較高;

(3) 傳感器分辨力與測(cè)量范圍有關(guān)，測(cè)量范圍大，分辨力低，反之則高。

(1) 方案選擇

在選擇方案之前應(yīng)首先弄清給定的技術(shù)指標(biāo)，如示值范圍、示值誤差、分辨力、重復(fù)性誤差、時(shí)漂、溫漂、使用環(huán)境等。

(2) 鐵心材料的選擇

鐵心材料選擇的主要依據(jù)是要具有較高的導(dǎo)磁系數(shù)，較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和較小的磁滯損耗，剩磁 和矯頑磁力 都要小。另外，還要求電阻率大，居里點(diǎn)溫度高，磁性能穩(wěn)定，便于加工等。常用導(dǎo)磁材料有鐵氧體、鐵鎳合金、硅鋼片和純鐵。

(3)電源頻率的選擇

提高電源頻率有下列優(yōu)點(diǎn)：能提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；靈敏度有一定的提高；適當(dāng)提高頻率還有利于放大器的設(shè)計(jì)。但是，過高的電源頻率也會(huì)帶來缺點(diǎn)，如鐵心渦流損耗增加；導(dǎo)線的集膚效應(yīng)等會(huì)使靈敏度減低；增加寄生電容（包括線圈匝間電容）以及外界干擾的影響。

1、檢測(cè)距離的衰減性。滑翹為鐵質(zhì)，適合SICK電感式傳感器檢測(cè)；而滑翹被測(cè)部分的尺寸略小于標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物尺寸（標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)物尺寸為3倍額定檢測(cè)距離，此應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)尺寸應(yīng)為120*120mm），這樣的話就會(huì)有一定的衰減。

2、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力。這個(gè)是不容忽視的問題，普通SICK電感式傳感器容易被電機(jī)或變頻器干擾，很多技術(shù)人員只對(duì)在此附近的應(yīng)用選擇相應(yīng)強(qiáng)抗電磁干擾的傳感器。但在汽車制造車間，廠房大，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員習(xí)慣使用對(duì)講機(jī)溝通，尤其是邊走邊用對(duì)講機(jī)對(duì)話時(shí)，會(huì)不經(jīng)意的靠近傳感器，導(dǎo)致短暫失效。

3、安裝方面。隨著SICK電感式傳感器的普及，傳感器不僅僅在電氣性能方面有所提升，其機(jī)械方面的設(shè)計(jì)也越來越人性化。要在的實(shí)現(xiàn)人性化安裝。減少了多種近似產(chǎn)品的備貨和減少了安裝、維護(hù)的時(shí)間。

4、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。在車廠的使用中，要杜絕任何油污、塵污的侵蝕。另外，滑翹經(jīng)過軌道時(shí)，震動(dòng)是長(zhǎng)期存在的，優(yōu)異的抗震動(dòng)性同樣是有著非常重要的作用。