飛機電感式接近傳感器信號檢測技術(shù)研究

李 洋，趙興平，李賽雷

（1.海軍裝備部，西安 710089；2.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089）

當(dāng)前國內(nèi)軍、民用各類飛機的艙門和起落架系統(tǒng)的位置檢測功能主要通過接觸式微動開關(guān)和電感式接近傳感器實現(xiàn)[1]。接觸式微動開關(guān)存在開關(guān)觸點易老化、機械壽命低等缺點，逐漸趨于淘汰化。電感式接近傳感器是一種可以輸出開關(guān)量的位置指示與告警設(shè)備，由于其工作性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強且可實現(xiàn)非接觸式測量和余度設(shè)計等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代新型飛機的起落架系統(tǒng)、艙門信號系統(tǒng)等作動機構(gòu)的位置檢測[2]。

本文以電感式接近傳感器為對象研究其工作原理和接近特性，根據(jù)傳感器不同運動方式對接近特性和信號檢測精度的影響，探討傳感器靶標(biāo)的材料選用和布置設(shè)計，最后給出了接近傳感器在飛機上的一般性安裝要求和故障檢測方法。

1 電感式接近傳感器工作原理

電感式接近傳感器按照激勵信號和工作原理的不同，可分為渦流耗損式和可變磁阻式。

渦流耗損式的激勵信號為交變信號，在金屬靶標(biāo)上會形成一個電渦流，靶標(biāo)接近或者遠(yuǎn)離傳感器時，形成的渦流變化使得線圈的阻抗發(fā)生變化，如圖1 所示。

圖1 接近傳感器工作原理Fig.1 Working principle of proximity sensor

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流[3]。與此同時，電渦流i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2，H2與H1方向相反，并力圖削弱H1。若將金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，可得到等效電路如圖2 所示。

圖2 接近傳感器工作等效電路Fig.2 Working equivalent circuit of proximity sensor

圖2 中R1、L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，R2、L2為被測導(dǎo)體的電阻和電感。探頭線圈和導(dǎo)體之間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。U1為激勵電壓。

根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式得出等效電路的平衡方程為

由此可得傳感器線圈的等效阻抗為

依據(jù)上述方程組可得接近傳感器探頭線圈的等效阻抗Z 為

式中：x 為檢測距離；μ 為被測體磁導(dǎo)率；ρ 為被測體電阻率；f 為線圈中激勵電流頻率。

利用靶標(biāo)接近或者遠(yuǎn)離傳感器時形成的電渦流變化原理，將接近傳感器探頭線圈等效阻抗Z 隨檢測距離x 變化的函數(shù)關(guān)系通過測量電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過接近傳感器線圈回路電感L 表征檢測距離x的遠(yuǎn)近進(jìn)而實現(xiàn)基于接近傳感器信號的位置檢測。

本文研究的電感式接近傳感器均為可變磁阻式，其激勵信號為直流信號，一般由遠(yuǎn)程電子單元提供。接近傳感器的信號經(jīng)遠(yuǎn)程電子接口單元內(nèi)部解算后，將接近和遠(yuǎn)離兩種狀態(tài)處理為離散電平信號并輸出給飛機管理計算機，供飛機判斷艙門和起落架系統(tǒng)等部位的位置信息。

2 接近傳感器特性研究

2.1 接近傳感器信號的距離特性研究

電感式接近傳感器檢測示意圖如圖3 所示。檢測距離和復(fù)位距離之間的空間稱作回差，檢測距離即額定動作距離。在檢測距離及檢測距離之內(nèi)接近傳感器輸出信號衰減，檢測到“目標(biāo)近”；在基準(zhǔn)位置及基準(zhǔn)位置之外，檢到“目標(biāo)遠(yuǎn)”。

圖3 接近傳感器檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of proximity sensor detection

由接近傳感器的工作原理可知，靶標(biāo)與傳感器感應(yīng)頭之間的距離是控制信號開關(guān)的唯一外部激勵。為便于分析，將這一距離向量分解為X，Z 兩個方向的分量，其中X 表示為從靶標(biāo)前緣到傳感器中心軸線的距離，Z 表示為靶標(biāo)端面與傳感器感應(yīng)頭端面之間的距離。

以X 和Z 為基本變量，反映靶標(biāo)-傳感器距離與傳感器信號之間關(guān)系的就是傳感器特性曲線，分別表示觸發(fā)“接近”和“遠(yuǎn)離”信號時的2 條邊界曲線。

當(dāng)靶標(biāo)與傳感器的距離位于目標(biāo)近區(qū)域，即Ga曲線以下時，可確保傳感器信號被計算機處理后的信息是“接近”；同理當(dāng)靶標(biāo)與傳感器的距離位于目標(biāo)遠(yuǎn)區(qū)域，即Gd曲線以上時，可確保傳感器信號被計算機處理后的信息是“遠(yuǎn)離”。電感式接近傳感器檢測特性如圖4 所示。

圖4 電感式接近傳感器特性Fig.4 Inductive proximity sensor characteristics

圖4 中，Gd表示“遠(yuǎn)離”時接近傳感器檢測面和靶標(biāo)之間的距離；Ga表示“接近”時接近傳感器檢測面和靶標(biāo)之間的距離；“目標(biāo)近區(qū)域”即表示額定檢測距離以內(nèi)滿足一定的Z 值時的傳感器檢測區(qū)域。

通常靶標(biāo)與傳感器之間相互靠近的運動方式有直線接近式、相向轉(zhuǎn)動式和徑向轉(zhuǎn)動式3 類，不同運動形式的傳感器信號特性差異較大。

飛機上接近傳感器的安裝常用于轉(zhuǎn)動副，一般將接近傳感器固定，靶標(biāo)隨移動部件轉(zhuǎn)動，與傳感器的接近方式通常有3 種。第1 種方式中，靶標(biāo)與傳感器端面相向運動，使二者端面相“碰觸”；第2種方式中，靶標(biāo)端面與傳感器端面相互垂直相切，且之間存在一定間隙；第3 種方式中，靶標(biāo)相對傳感器端面轉(zhuǎn)動，二者之間存在一定間隙。常見的將第1 種運動形式簡稱為圓周相對運動，將第2 種轉(zhuǎn)動形式稱為圓周徑向運動，第3 種轉(zhuǎn)動形式簡稱為圓周相切運動。

由線圈電感變化量公式（6）計算電感L 可知，電感隨傳感器與靶標(biāo)間距離增大成衰減趨勢，且距離越大，電感值的變化越小，靶標(biāo)與鐵芯氣隙長度是非線性的關(guān)系，如圖5 所示。在微小變化量的情況下可將L-δ 看成近似線性，因此接近傳感器只適用于微小距離的測量（<10 mm）。

圖5 氣隙長度與電感值的特性曲線Fig.5 Characteristic curve of air gap length and inductance value

式中：W 為線圈匝數(shù)；Rm為回路 總磁阻；μ0為磁芯的磁導(dǎo)率；S0為氣隙截面積；δ 為傳感器與靶標(biāo)的距離。

由圖5 可以得出：

所以在氣隙長度方面接近傳感器的靈敏度為

由線圈電感變化量公式可知，靶標(biāo)與鐵芯氣隙截面積是線性的關(guān)系，如圖6 所示。

圖6 氣隙截面積與電感值的特性曲線Fig.6 Characteristic curve of air gap cross-sectional area and inductance value

由圖6 可以計算出，在氣隙截面積方面接近傳感器的靈敏度為

對比K0和K1的關(guān)系可以看出，通常情況下K1

2.2 接近傳感器信號的溫度特性研究

研究接近式傳感器等效電路參數(shù)R、L 隨溫度的變化情況，通過試驗溫度從70 ℃降至-55 ℃測量接近傳感器的等效電阻和等效電感，試驗結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 接近傳感器電阻隨溫度變化關(guān)系Fig.7 Proximity sensor resistance versus temperature graph

圖8 接近傳感器電感隨溫度的變化關(guān)系Fig.8 Variation of proximity sensor inductance with temperature

從圖7 和圖8 結(jié)果可知，電阻隨溫度變化比較明顯，而且近似成線性關(guān)系，而電感值隨溫度變化非常的小。接近傳感器檢測電路也是利用了其電感值在溫度變化時相對不變，只隨靶標(biāo)距離改變的特性準(zhǔn)確檢測靶標(biāo)位置。

2.3 接近傳感器信號的故障檢測

接近傳感器在正常沒有目標(biāo)體接近時，傳感器內(nèi)部LC 回路會產(chǎn)生高頻振蕩，當(dāng)傳感器內(nèi)部斷路時振蕩會停止，此時電容兩端會被直流穩(wěn)壓電源充電，電壓升高后經(jīng)處理電路可輸出斷路故障信號；當(dāng)傳感器內(nèi)部短路時，LC 回路的振蕩幅值降低時間較正常情況長很多，根據(jù)該特性可設(shè)計故障診斷電路實現(xiàn)內(nèi)部短路自檢測[4]。

3 接近傳感器及靶標(biāo)安裝布置

3.1 材料選用

接近傳感器的感應(yīng)特性與周圍環(huán)境的材料特性息息相關(guān)，其安裝支架應(yīng)選用磁導(dǎo)率接近空氣磁導(dǎo)率的材料，這樣對傳感器周圍磁路的影響最小。靶標(biāo)材料一般應(yīng)選用鐵磁性材料，其相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，磁阻小。

鐵磁性材料又分為硬磁性材料和軟磁性材料，由于硬磁性材料磁滯損失大且在安裝使用過程中剩磁大，會吸附并磁化周圍金屬，所以應(yīng)選用鐵磁性材料中的軟磁材料[5]。不同的軟磁材料對感應(yīng)距離有輕微影響，磁性越強，磁阻越小，感應(yīng)距離越大；但同時磁性越強又會影響飛機上的電磁環(huán)境，所以靶標(biāo)材料應(yīng)從導(dǎo)磁系數(shù)、機上電磁環(huán)境等方面綜合考慮，推薦使用PH13-8Mo、17-4PH、15-5PH 等低碳不銹鋼材料。而諸如銅、鋁、銀等非磁性且具有較高導(dǎo)電性的材料對接近傳感器的磁場影響很大，不能用于靶標(biāo)材料，并且此類材料不能置于傳感器感應(yīng)區(qū)域附近。

飛機在進(jìn)行地面試驗和功能檢查時，希望在機體運動機構(gòu)不動的工況下檢查接近傳感器的接近/遠(yuǎn)離特性，此時需要一個隔離片插入傳感器端面與靶標(biāo)之間隔斷接近傳感器的磁場，使傳感器的輸出狀態(tài)信號由接近變?yōu)檫h(yuǎn)離，從而檢查傳感器接近、遠(yuǎn)離兩種信號轉(zhuǎn)換的正確性。

在接近傳感器感應(yīng)面與靶標(biāo)之間插入適當(dāng)?shù)母綦x片時，實際會在隔離片表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)，此渦流效應(yīng)會反作用于接近傳感器線圈，使其電感值減小，當(dāng)其電感值減小到遠(yuǎn)離狀態(tài)的電感值時，其狀態(tài)就由接近狀態(tài)變?yōu)檫h(yuǎn)離狀態(tài)，實現(xiàn)隔斷的功能[6]。

隔離片的隔離效果與隔離片材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何尺寸等息息相關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)隔離片需要選擇電導(dǎo)率高、磁導(dǎo)率低的材料，常見金屬材料特性數(shù)據(jù)，如表1 所示，同時考慮便攜和經(jīng)濟性等因素，認(rèn)為銅可作為隔離片的優(yōu)先推薦材料。

表1 常見金屬電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率Tab.1 Electrical conductivity and magnetic permeability of common metals

3.2 安裝空間

如果靶標(biāo)材料選用不當(dāng)或感應(yīng)區(qū)域有除了靶標(biāo)以外的其它金屬材料，會改變傳感器感應(yīng)頭部的磁場分布，造成信號干擾嚴(yán)重影響接近傳感器感應(yīng)距離和信號特性。為消除此類干擾，要求接近傳感器應(yīng)具備一定的安裝空間，在該安裝空間中不允許出現(xiàn)除靶標(biāo)外其他磁性物體。

從電磁場角度進(jìn)行研究分析，認(rèn)為接近傳感器通電后產(chǎn)生的磁場可以看做低頻交變磁場，其波長λ 約為10E5 數(shù)量級，可以將接近傳感器通電后產(chǎn)生的磁場類似于一個近場區(qū)，其線圈產(chǎn)生的空間磁場強度為

式中：I 為線圈電流；A 為導(dǎo)線等效長度；D 為距離波源的距離。

根據(jù)接近傳感器實際工況的參數(shù)計算出與波源的距離D，即認(rèn)為在這個距離以外的物體不會影響接近傳感器感應(yīng)特性，將這個距離可視為接近傳感器安裝的安全距離。

在接近傳感器安裝布置時，兩個傳感器軸線之間的距離應(yīng)或兩個感應(yīng)端面間的距離應(yīng)當(dāng)大于安全距離。

3.3 安裝穩(wěn)定性

接近傳感器的特性是微距測量，因此安裝支架及靶標(biāo)的強度和剛度應(yīng)足夠大，以保證接近或遠(yuǎn)離時的信號特性不受安裝支架變形的影響[7]。如果接近傳感器安裝支架或靶標(biāo)安裝剛度較差，使用過程中形變過大會導(dǎo)致靶標(biāo)與傳感器的相對位置變化過大，造成誤報虛警的情況。一般要求安裝支架須具有足夠的剛度以限制接近傳感器和靶標(biāo)之間的距離的變化不超過開關(guān)點間隙的15%，防止由于結(jié)構(gòu)變形而導(dǎo)致誤指示。

4 結(jié)語

電感式接近傳感器在工程實際應(yīng)用時應(yīng)重點考慮靶標(biāo)及安裝支架材料選用、運動形式、安裝空間及穩(wěn)定性等方面因素，同時需結(jié)合接近傳感器信號的溫度特性和故障檢測進(jìn)行設(shè)計。接近傳感器信號檢測技術(shù)采用非接觸測量原理，其工作可靠、無機械磨損、使用壽命長且抗干擾能力強，在未來飛機系統(tǒng)的位置檢測領(lǐng)域?qū)⒂懈訌V泛的應(yīng)用。