高頻接近開關(guān)檢測(cè)原理與設(shè)計(jì)*

李 銳 ，趙來定

（1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

接近開關(guān)在1958年誕生于Pepperl和Fuchs擁有的曼海姆實(shí)驗(yàn)室中。起初它是為了解決特定客戶化工產(chǎn)業(yè)中易燃易爆電流電路安全檢測(cè)而構(gòu)想出的方案，后來它漸漸成為被世界認(rèn)可的非接觸開關(guān)中的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。接近開關(guān)是自動(dòng)化行業(yè)中最古老的電子器件之一，它被持續(xù)不斷的發(fā)明創(chuàng)新，以便滿足不斷變化的工業(yè)需求。在早些時(shí)候，電感接近開關(guān)的應(yīng)用僅限于化工行業(yè)，因?yàn)樵撔袠I(yè)中由于低電流帶來的機(jī)械接觸損耗以及缺少清洗接觸導(dǎo)致的化學(xué)腐蝕的問題非常嚴(yán)重[1]。

10年后，第二代接近開關(guān)誕生，該接近開關(guān)是簡(jiǎn)化了的應(yīng)用器件[2]。用戶可以自行改變有效傳感面，并且放大器的不同電壓范圍能夠通過數(shù)值插入來自由替換。該接近開關(guān)的設(shè)計(jì)持續(xù)成為銷量最好的一種，但是這種科技的發(fā)展使得接近開關(guān)還有更廣闊的發(fā)展[3]。

最常見的接近開關(guān)類似于雙頭螺栓，它能被安裝在任何機(jī)械上。堅(jiān)固的黃銅或不銹鋼封裝能夠使電子傳感器不受所有類型的環(huán)境影響[4]。

1 系統(tǒng)組成

電感式接近開關(guān)，又稱渦流接近開關(guān)，是一種利用渦流感知物體的傳感器，它由高頻振蕩電路、放大電路、檢波電路及輸出電路組成（如圖1所示）。振蕩器是由繞在磁芯上的線圈構(gòu)成的LC振蕩電路。振蕩器通過傳感器的感應(yīng)面，在其前方產(chǎn)生一個(gè)高頻交變的電磁場(chǎng)，當(dāng)外界的金屬物體接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)區(qū)時(shí)，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，從而導(dǎo)致LC振蕩電路振蕩減弱或停止振蕩，這一振蕩變化被后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一個(gè)確定開關(guān)輸出信號(hào)，從而達(dá)到非接觸式檢測(cè)目標(biāo)之目的。這種開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。

圖1 電感接近開關(guān)原理框圖

2 檢測(cè)原理

電感式傳感器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)帶鐵心的線圈，它基于機(jī)械量變化會(huì)引起線圈回路磁阻變化，從而導(dǎo)致電感量變化這一物理現(xiàn)象。

通過金屬導(dǎo)體的磁通發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，通常就稱它為電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場(chǎng)能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，成為電渦流效應(yīng)。渦流檢測(cè)是渦流效應(yīng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，其原理圖基本如圖2所示。原理可以描述如下：如果有一塊電導(dǎo)率為 σ、磁導(dǎo)率為 μ、厚度為t、溫度為 T的金屬板，離金屬板X處有一個(gè)半徑為r的線圈，當(dāng)線圈中通以正弦交變電流時(shí)，線圈的周圍就產(chǎn)生了正弦交變磁場(chǎng)H1。此時(shí)，置于此磁場(chǎng)中的金屬板中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而形成電渦流。渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到金屬板導(dǎo)電性能等的影響，而渦流的反作用磁場(chǎng)又使線圈的阻抗Z發(fā)生變化。

圖2 電渦流作用原理圖

顯然，線圈阻抗的變化既與渦流效應(yīng)有關(guān)，又與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)。也就是說，與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)[5]。假定金屬導(dǎo)體是均勻的，其性能是線性和各向同性的，則線圈一金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性能通常可由磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r、t、激勵(lì)電流I和頻率 ω等參數(shù)來描述，線圈的阻抗可用如下函數(shù)表示：

當(dāng)氣隙長(zhǎng)度保持不變，而鐵心與銜鐵之間相對(duì)覆蓋面積，即磁通截面因被測(cè)量的變化而改變時(shí)，這種類型的電感式傳感器稱為變面積型電感式傳感器[6]，結(jié)構(gòu)型式如圖3所示，其中，1為線圈；2為鐵心；3為銜鐵。

圖3 變面積型電感式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

（1）輸出特性

如圖3所示，氣隙長(zhǎng)度為g=2δ，初始磁通截面即鐵心截面為A=ab，a為鐵心截面長(zhǎng)，b為截面寬。X為銜鐵的位移量。此時(shí)，變面積型電感式傳感器輸出特性公式為：

（2）靈敏度

對(duì)式（2）求導(dǎo)，得靈敏度為：

可見，靈敏度為一常數(shù)。

3 振蕩電路

電感的變化是通過振蕩電路來進(jìn)行檢測(cè)的，LC振蕩器可用于接近開關(guān)的振蕩電路。

3.1 改進(jìn)型電容三端式振蕩器

為了減小器件的不穩(wěn)定極間電容 Cbe、Cbc、Cce對(duì)振蕩頻率的影響，以提高頻率穩(wěn)定度，采用了電容三端式振蕩器的變形電路，即克拉潑 （Clapp）振蕩器和希勒（Seiler）振蕩器[7]。

與電容三端式電路比較，在圖4所示的克拉潑振蕩器中，增加了一個(gè)和電感串接的電容C5。雖然C5越小，振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高，但是C5太小將不能滿足振幅起振條件而停止振蕩。因此，為了保證振蕩器的起振，C5應(yīng)有一個(gè)最小的允許值。

圖4 克拉潑振蕩電路

克拉潑振蕩電路中，振蕩回路由L1、C3和C4構(gòu)成，具有選頻作用。由圖5可見，波形較好，幾乎無失真。周期 T=1.6 μs，頻率 f=6.25×105Hz，幅值最大為 10.8 V，最小為3.2 V，振幅為3.8 V，有效值為 2.69 V。

圖5 克拉潑振蕩電路波形圖

若采用調(diào)節(jié)C5來改變振蕩頻率，不僅Rc的變化會(huì)很大，并且在波段高端（此時(shí) C5最?。?huì)因Re太小而停振。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用希勒振蕩電路，如圖6所示。與克拉潑電路相比，希勒電路在回路電感兩端并接了一個(gè)可變電容C4。希勒電路不僅在波段內(nèi)的振幅比較平穩(wěn)，還避免了高頻端可能出現(xiàn)的停振現(xiàn)象。因此希勒電路很適合于工作在工作頻率較高的場(chǎng)合。

在圖6所示的希勒振蕩電路中，振蕩回路由 L1、C3和C4構(gòu)成，具有選頻作用。由圖7可見，波形較好，幾乎無失真。周期T=3.3 μs，頻率 f=3.03×105 Hz，幅值最大為10.6 V，最小為3.3 V，振幅為3.65 V，有效值為2.58 V。

圖6 希勒振蕩電路

圖7 希勒振蕩電路波形圖

4 檢波電路

檢波電路如圖8所示，其需實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)金屬物體還未接近電感器時(shí)，振蕩電路正常振蕩，輸出端輸出高電平；當(dāng)金屬物體接近感應(yīng)頭時(shí)，振蕩電路停振，輸出端輸出低電平[8]。檢波作用及原理簡(jiǎn)述如下：C4是耦合電容，把振蕩器上的振蕩信號(hào)送往Q2。Q2、Q3和R3、R4、R5組成施密特電路，此電路主要有3個(gè)作用：（1）信號(hào)放大；（2）檢波；（3）信號(hào)整形，把直流脈沖信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，并送往下一級(jí)。C5是濾波電容。Q4和R7、R8、R9及D2、D3是簡(jiǎn)單的開關(guān)電路，其中D2是發(fā)光二極管，作信號(hào)指示用，R7是分流電阻，防止信號(hào)過強(qiáng)把指示燈D2燒壞，R8是降壓電阻，防止信號(hào)過強(qiáng)把末級(jí)Q4燒壞，R6是保護(hù)電阻，D3是保護(hù)二極管，防止反向電壓擊穿Q4[9]。

圖8 檢波電路

檢波原理：

（1）當(dāng)金屬物體還沒有接近感應(yīng)頭時(shí)，振蕩器開始振蕩，振蕩信號(hào)通過C4 送 到 Q2，Q2 導(dǎo)通，Q3截止，Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出端（即Q4集電極）持續(xù)輸出12 V高電平，如圖9所示。

圖9 輸出端（Q4集電極）持續(xù)輸出高電平

（2）當(dāng)金屬物體接近感應(yīng)頭時(shí)，振蕩器中的磁力線被接近的金屬物破壞，由振蕩變?yōu)椴徽袷?（即停振），C4沒有信號(hào)送到Q2，Q2 由 導(dǎo) 通 變 截止，Q3由截止變?yōu)閷?dǎo)通，Q4跟著導(dǎo)通，集電極持續(xù)輸出13.5 mV低電平[10]。輸出端由常開狀態(tài)變?yōu)槌ｉ]狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 輸出端（Q4集電極）持續(xù)輸出低電平

綜上所述，高頻接近開關(guān)可分為電感式接近開關(guān)與電容式接近開關(guān)兩種。本文著重研究了電感式接近開關(guān)的工作原理。電感接近開關(guān)由振蕩電路、檢波電路以及輸出電路三部分組成。在對(duì)這三部分進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

（1）振蕩電路宜選擇改進(jìn)型電容三端式振蕩電路，即希勒振蕩電路，因?yàn)橄＠针娐吩诨芈冯姼袃啥瞬⒔恿艘粋€(gè)可變電容器，它使得希勒電路不僅在波段內(nèi)的振幅比較平穩(wěn)，還避免了高頻端可能出現(xiàn)的停振現(xiàn)象。因此，希勒電路很適合于工作在工作頻率較高的場(chǎng)合。

（2）檢波電路宜設(shè)計(jì)成由施密特觸發(fā)電路構(gòu)成的檢波電路，因?yàn)槭┟芴仉娐纺茌^好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、檢波及信號(hào)整形的作用。

（3）輸出電路宜選擇推挽式輸出電路，因?yàn)樗Y(jié)合了線驅(qū)動(dòng)與集電極開路輸出電路的特性。

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