基于LDC1612/1614芯片的全金屬電感式接近傳感器設(shè)計(jì)及研究

(航空工業(yè)蘇州長風(fēng)航空電子有限公司,江蘇 蘇州 215151)

隨著航空傳感技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，飛機(jī)上的機(jī)械傳動裝置逐漸替代為電傳操作系統(tǒng)。然而，目前在對飛機(jī)上如起落架收上/放下上鎖、艙門關(guān)閉狀態(tài)、發(fā)動機(jī)油門反推桿狀態(tài)、縫翼位置等位置量的檢測中仍普遍采用傳統(tǒng)機(jī)械按壓式的微動開關(guān)，易存在觸點(diǎn)老化、機(jī)械壽命低以及環(huán)境適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)[1-3]。作為位置傳感器的一種，電感式接近傳感器利用電渦流效應(yīng)，通過感應(yīng)線圈對接近物體敏感特性的識別并輸出相應(yīng)的電信號實(shí)現(xiàn)位置測量，具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)定位精度高、壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來獲得廣泛關(guān)注[4-5]。

航空及軍工武器裝備系統(tǒng)中所使用的電感式接近傳感器均要求具有較高的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，而市面上的大多數(shù)電感式接近傳感器均采用非金屬材料感應(yīng)頭，溫度低于-30 ℃時無法正常工作且耐振動和沖擊等性能較弱，采用金屬材料感應(yīng)頭的傳感器又存在感應(yīng)距離短等問題，一定程度上制約了其廣泛應(yīng)用[6-7]。基于上述問題，本文在理論研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作環(huán)境溫度范圍寬、穩(wěn)定性好、感應(yīng)距離長、重復(fù)定位精度高、可適當(dāng)維修的全金屬電感式接近傳感器。同時，傳感器信號處理電路充分利用LDC1612/1614芯片集成化優(yōu)勢，以易于實(shí)現(xiàn)傳感器小型化及批量化生產(chǎn)。

1 電感式接近傳感器原理

電感式接近傳感器又稱接近開關(guān)，主要由高頻振蕩電路和檢測電路組成，敏感元件為檢測線圈[8]。它是利用渦流損耗原理來控制振蕩電路的起振和停振狀態(tài)，對外輸出離散的電平信號，從而實(shí)現(xiàn)對位置量的檢測。

電感式接近傳感器的工作原理如圖1所示[9-11]。當(dāng)感應(yīng)線圈兩端施加交變電壓U1，產(chǎn)生交變電流I1流過線圈，并產(chǎn)生一個交變磁場H1。當(dāng)被測金屬導(dǎo)體接近線圈時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流電流I2，同時產(chǎn)生反磁場H2抵消部分H1。感應(yīng)線圈要維持磁場H1，就必須增大I1，也就相當(dāng)于線圈的電感L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q值發(fā)生了變化。I2的大小取決于線圈的幾何形狀，I2越大，L、Z、Q的變化也越大。

圖1 電感式接近傳感器工作原理圖

電感式接近傳感器工作的等效電路如圖2所示。根據(jù)變壓器原理，把感應(yīng)線圈當(dāng)作變壓器原邊，被測金屬導(dǎo)體渦流電路當(dāng)作變壓器副邊[12]。U1是線圈兩端施加的交變電壓，R1和R2分別為線圈和金屬導(dǎo)體的電阻，L1和L2分別為線圈和金屬導(dǎo)體的電感，M為線圈和金屬導(dǎo)體間的互感，隨兩者距離的減小而增大。

圖2 電感式接近傳感器等效電路

根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)：

(1)

由式(1)得

(2)

感應(yīng)線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的等效復(fù)阻抗為

(3)

式中，ω為振蕩角頻率,等效電阻和等效電感分別為：

(4)

感應(yīng)線圈的品質(zhì)因數(shù)Q為

(5)

由上述計(jì)算可知，感應(yīng)線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化可以引起線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q的變化。因此，傳感器所用的轉(zhuǎn)化電路可以選用上述參數(shù)中的任何一個并將其轉(zhuǎn)換成電信號實(shí)現(xiàn)測量。

2 全金屬電感式接近傳感器設(shè)計(jì)

全金屬電感式接近傳感器包括傳感測量和信號處理兩部分，主要通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、線圈及磁路、彈簧、信號處理電路、環(huán)境適應(yīng)性等幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電感式接近傳感器在飛機(jī)上的工作環(huán)境要求，傳感器工作溫度通常為-55～150 ℃，這就要求感應(yīng)頭采用全金屬材料密封。本研究設(shè)計(jì)的電感式接近傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示，主要包括金屬外殼、線圈組合、支撐環(huán)、彈簧、孔用彈性擋圈、絕緣套筒、信號處理電路板和后蓋等。線圈組合開口端緊貼于金屬外殼前端內(nèi)表面，并使用彈簧以機(jī)械方式將其壓緊。絕緣套筒位于彈簧和彈性擋圈后端，中心開孔用于將線圈兩端連接的導(dǎo)線穿過，四周開有兩凹槽起到固定信號處理電路板的作用。當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或接近傳感器時，感應(yīng)線圈電感發(fā)生變化并將電信號傳遞至信號處理電路板，通過信號調(diào)制處理，將電感變換轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，芯片進(jìn)而產(chǎn)生振蕩或非振蕩，以“高電平”或“低電平”形式輸出，即“0”或“1”輸出。

2.2 線圈及磁路設(shè)計(jì)

圖4為圖3中線圈組合放大結(jié)構(gòu)剖視圖。線圈組合部分主要包括線圈、線圈骨架、磁芯、絕緣墊和調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成。由電感式接近傳感器的工作原理可知，感應(yīng)線圈阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)變化均可以反映測量距離的改變，因此線圈組合是電感式接近傳感器的核心關(guān)鍵部件。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖

圖4 線圈組合結(jié)構(gòu)剖視圖

由于電感式接近傳感器采用全金屬密封外殼設(shè)計(jì)，會造成感應(yīng)距離減小等問題。要保證全金屬外殼傳感器正常工作，需加大電渦流貫穿深度以保證感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場穿透密閉金屬。通常，電渦流貫穿深度h可通過式(6)計(jì)算得到：

(6)

線圈參數(shù)主要包括線圈匝數(shù)、線圈橫截面積、線圈直徑、線圈繞線直徑和線圈電阻等[14]。線圈匝數(shù)是影響電感的最主要的因素，匝數(shù)越多，輸出電感越大，接近和遠(yuǎn)離的電感差值也就越大。線圈匝數(shù)主要受線圈繞線直徑和線圈電阻等因素限制，其可通過調(diào)整線圈繞線直徑來改變[15]。線圈繞線直徑越小，匝數(shù)越多，電阻也越大。因此，若規(guī)定感應(yīng)線圈的電阻，線圈直徑和繞線直徑就可確定。結(jié)合Ansys電磁場仿真分析，為提高線圈的品質(zhì)因數(shù)Q，線徑φ0.08～0.1 mm的聚酰亞胺漆包線包繞于繞線直徑φ5.8～6 mm的骨架350～450圈最為適宜。

2.3 彈簧設(shè)計(jì)

根據(jù)圓柱形螺旋彈簧彈性系數(shù)k的計(jì)算公式[16]：

(7)

式中，G為彈簧材料的切變模量；d為彈簧線徑；R為彈簧圈的平均半徑；n為彈簧的有效圈數(shù)。

又由牛頓第三定律，線圈組合受力與彈簧施力大小相當(dāng)[17]：

F=ma=kx

(8)

式中，m為線圈組合的質(zhì)量；a為傳感器可承受振動或沖擊的最大加速度值；x為彈簧的壓縮量。經(jīng)計(jì)算得， 當(dāng)設(shè)計(jì)傳感器可承受20g的振動量級時，彈簧線徑d=1.2 mm，彈簧圈平均直徑D=11.5 mm，彈簧有效圈數(shù)n=3。

2.4 信號處理電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳感器小型化、集成化和批量化生產(chǎn)，以及便于信號處理電路板結(jié)構(gòu)固定，電感式接近傳感器信號處理電路選擇專用的集成電感測量芯片LDC1612/1614，并圍繞該芯片進(jìn)行必要的功能添加和溫度補(bǔ)償，設(shè)計(jì)電路原理圖如圖5所示。

圖5 傳感器信號處理電路原理圖

傳感器信號處理電路輸入端為4～28 V的直流電源，通過穩(wěn)壓電路將電壓輸出轉(zhuǎn)換為3.3 V為MCU(微處理器)與LDC1612/1614電路供電。LDC1612/1614為雙通道(或4通道)28位電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，供電電壓2.7～3.6 V，可同時測量兩路(或4路)電感值，測量諧振頻率范圍1 kHz～10 MHz，該芯片內(nèi)置時鐘，減小了外圍電路的尺寸和成本。芯片通過I2C與MCU進(jìn)行通信，通過對該芯片寄存器的配置即可滿足使用需求。與此同時，電路中還使用STM8S003作為控制芯片，芯片內(nèi)置時鐘并具有上電復(fù)位功能，可有效減小外部電路體積。該芯片的功能是實(shí)現(xiàn)與LDC1612/1614芯片的通信，對LDC1612/1614寄存器進(jìn)行配置以及數(shù)據(jù)讀取，同時對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，將電感量值轉(zhuǎn)換為測量距離值，并根據(jù)需求，對距離進(jìn)行判斷，最終輸出“0”或“1”信號。

2.5 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的電感式接近傳感器主要用于航空航天領(lǐng)域，工作環(huán)境溫度要求為-55～150 ℃。為保證傳感器穩(wěn)定工作，在環(huán)境適應(yīng)性方面進(jìn)行了以下幾方面考慮：① 全金屬感應(yīng)頭密封設(shè)計(jì)，金屬外殼材料選用物理性能好、電導(dǎo)率低、抗腐蝕性好且無磁性06Cr19Ni10不銹鋼材料，可用于沙塵和淋雨等惡劣環(huán)境；② 電路板電子元器件選用軍工級穩(wěn)定器件，信號處理電路設(shè)置溫度補(bǔ)償，使傳感器的耐高低溫性能、耐振動和沖擊性能等顯著提高;③ 電路板直接選用LDC1612/1614集成化芯片并增加少量附加功能，易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過前述設(shè)計(jì)，研制出的全金屬電感式接近傳感器最大外徑為16 mm，總長度≤48 mm；感應(yīng)距離為4～6 mm；傳感器使用溫度范圍可達(dá)-55～150 ℃。產(chǎn)品外形如圖6所示。

圖6 傳感器外形圖

圖8為使用如圖7所示的測試設(shè)備測量后繪制得到的傳感器與金屬導(dǎo)體接近距離和輸出電感值之間的對應(yīng)變化關(guān)系，傳感器供電電壓為直流28 V。當(dāng)接近距離Ta<5 mm時，傳感器的電感值L>5 mH，通過信號處理電路板處理后產(chǎn)生振蕩，輸出高電平“1”；當(dāng)接近距離Ta>5 mm時，傳感器電感值L<5 mH，信號處理電路板處理后不產(chǎn)生振蕩，輸出低電平“0”，從而實(shí)現(xiàn)到位測量功能。

圖7 傳感器測試設(shè)備

圖8 接近距離和輸出電感值對應(yīng)變化關(guān)系

根據(jù)GJB150.15A、GJB150.16A、GJB150.18A、GJB150.3A、GJB150.4A、GJB150.5A和GJB150.9A要求，對本研究設(shè)計(jì)的全金屬電感式接近傳感器分別進(jìn)行加速度、振動、沖擊、高溫、低溫、溫度沖擊和濕熱試驗(yàn)等環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證。將傳感器分別置于振動試驗(yàn)臺、高低溫箱、濕熱箱中，并通過線纜連接導(dǎo)出至設(shè)備外，用示波器實(shí)時監(jiān)測傳感器在臨界變化距離(5 mm)附近的信號輸出情況，如圖9所示。其中，高、低溫試驗(yàn)測試溫度點(diǎn)除標(biāo)準(zhǔn)要求的-55 ℃和70 ℃外，增加了150 ℃溫度點(diǎn)測試；振動試驗(yàn)除按照GJB150.16A-2009中7.3.1(程序I)進(jìn)行外，還按照某型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)實(shí)測譜嚴(yán)加考核。通過上述環(huán)境試驗(yàn)，本研究設(shè)計(jì)的傳感器在-55～150 ℃工作環(huán)境溫度范圍及一定振動量級下信號輸出穩(wěn)定，且改變金屬導(dǎo)體(靶標(biāo))位置均可實(shí)現(xiàn)“到位”功能的正確判斷，與市面上相同體積金屬感應(yīng)頭傳感器相比探測距離(通常為2～3 mm)更遠(yuǎn)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)出一種基于LDC1612/1614芯片的全金屬電感式接近傳感器。首先，通過理論研究明晰了電感式接近傳感器的工作原理，感應(yīng)線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化可以引起線圈電感的變化，從而轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號實(shí)現(xiàn)測量；然后，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、線圈及磁路、彈簧、信號處理電路、環(huán)境適應(yīng)性等幾方面設(shè)計(jì)突破傳感器感應(yīng)距離短、環(huán)境適應(yīng)性差、不易修復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)難題，研制出一種基于LDC1612/1614芯片的全金屬電感式接近傳感器；通過性能和環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的性能，傳感器結(jié)構(gòu)小巧簡單、工作環(huán)境溫度范圍寬、穩(wěn)定性好、感應(yīng)距離長、重復(fù)定位精度高、可適當(dāng)維修且易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，可應(yīng)用于航空及軍工武器裝備系統(tǒng)，也可廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)領(lǐng)域。

圖9 傳感器環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證