全金属电感式接近传感器的关键技术及应用

郑连泽，王伟钢

（海军驻汉中地区航空军事代表室，陕西 汉中 723200）

0 引言

随着科学技术的发展与进步，各种开关量接近传感器（也称接近开关）的应用日益广泛，其主要功能是完成对位置量的检测，并将其转换成开关量输出，从而实现对负载的控制或信号转换与传递[1]。

电感式接近传感器因抗干扰能力强、重复定位精度高、开关频率高、可靠性好、寿命长等突出优点在民用领域应用最广泛。

由于军工武器装备系统对接近传感器的安全性、可靠性和环境适应性等要求较高，而民用电感式接近传感器的感应头为非金属材料，且温度低于−30℃时不能正常工作，因此不能满足军工领域的要求。为适应军工领域的特殊环境要求，本文对全金属密封的电感式接近传感器的工作原理、关键技术和解决途径等问题进行了分析，并探讨其在军工领域的应用。

1 电感式接近传感器的工作原理及测试方法

电感式接近传感器也称高频接近开关，是利用电涡流效应来控制高频振荡器的起振与停振两种状态，实现对位置量的检测，并将其转换成电开关量输出，从而实现对负载的控制或信号的转换与传递。电感式接近传感器基本原理示意图如图1所示。

图1 基本原理示意图

在感应线圈两端加上交变电压信号 U1，于是便有交变电流I1流过线圈，I1在线圈中产生一个交变磁场H1。当作为被测物体（也称靶标）的金属体接近线圈时，根据电磁感应原理可知，金属体内会产生一个涡流电流I2，I2又会产生一个反磁场H2抵消一部分H1，而线圈要维持原来H1的量值就必然要加大 I1的量值。从等效的观点来看，就相当于线圈的电感L、阻抗Z和品质因数Q值发生了变化。显然 I2越大，L、Z、Q的变化也越大，即它们都是I2的函数。I2的大小取决于线圈的几何形状、I1的激磁频率f、环境温度、被测金属体与线圈的距离X，以及被测金属体的电阻率ρ、磁导率rµ、几何形状等参数。如果控制上述参数中一个参数改变，其余皆不变，那么就可以构成测位移、测温度、测硬度等的各种传感器。电感式接近传感器就是选择了X 作为变量，其余假定其不变，于是有：

为便于分析，将金属体内的涡流回路等效成一个短路环，如图2所示。这个短路环相当于一个一匝的闭合电感线圈。

图2 电涡流简化模型

理论分析表明[2]，图2中：

式中：ri为短路环等效内半径；ra为短路环等效外半径；ras为传感器线圈外半径；h为电涡流贯穿深度/cm，ρ为金属体电阻率/（Ω·m）；f为激磁电流频率/Hz；µr为金属体的相对磁导率。

短路环的电阻R2可用下式计算：

在不考虑涡流I2分布不均匀的情况下，用有效值表示时，I1、I2、X 有如下关系：

电感式接近传感器工作时的等效电路如图3所示。

根据图3所示等效电路，可得线圈受到金属导体影响后的等效复阻抗为：

式中：R1和L1为线圈的电阻和电感；R2和L2为金属导体的电阻和电感；M为互感系数；ω为振荡角频率。

图3 等效电路图

品质因数Q为：

由上可知，被测参数的变化，既能引起线圈阻抗Z的变化，也能引起线圈电感L和线圈Q值变化，所以电感式接近传感器所用的转换电路可以选用Z、L、Q 中的任一个参数，并将其转换成电量即可达到测量目的。

根据电感式接近传感器的工作原理，被测参量可以由传感器转换为线圈的Q值、等效阻抗Z和等效电感L 这3个参数，利用哪个参数并将其最后变换成为电压或电流输出要由测量电路决定，针对这3个参数的变化，有3种典型的测量电路：Q值测试电路、电桥电路和谐振电路。其中Q值测试电路较复杂，较少采用[1]。电桥电路比较简单，主要用于由两个电感式接近传感器组成的差动式传感器中。电感式接近传感器主要采用谐振电路。

谐振电路是将传感器线圈的等效电感变化变换为电压或电流的变化，传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路，并联谐振回路的谐振频率为：

在回路谐振时，其等效阻抗 Z0最大，为：

式中：R′为回路的等效损耗电阻。

当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随着L的变化而变化，由此可利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法进行测量。目前所配用的谐振电路有3种类型，即调幅式电路、调频式电路和调频调幅式电路。一般地说，要求灵敏度高，线性范围大，可选用调频调幅式电路；需要稳定性好，可选用调幅式电路；若要考虑便于遥测和数字显示，则调频式电路就有其方便之处[2]。

根据电感式接近传感器使用环境及要求，本文选用调频调幅式电路对传感器线圈的等效电感L 进行转换和测量，利用振荡幅度的变化来检测线圈与靶标之间的位移变化而对频率变化不予考虑，电路原理框图如图4所示，主要由振荡电路、电源电路、输出电路和检波及回差形成电路组成。振荡频率可以通过振荡回路的电感电容参数进行调节。检波电路用于检测振荡器的工作状态，为了提高灵敏度，采用有源检波电路。回差电路的设置是为了使接近传感器工作既灵敏又可靠。其工作原理是通过回差电路在振荡电路中施加一定量的正反馈，使起振点和停振点不重合，避免在临界点上开关输出状态反复变化。同时正反馈的引入可以使起振和停振过程更加利落。

图4 电路原理框图

2 全金属电感式接近传感器的关键技术及其解决途径

2.1 关键技术

根据军用飞机环境工作要求，飞机设备工作温度为−55～75℃，而全金属密封的电感式接近传感器的关键技术就是解决感应头采用全金属密封以及工作温度为−55～75℃应能正常工作。试验表明，民用电感式接近传感器的感应头在分别选用结构钢、不锈钢、铜合金和铝合金等金属材料进行密封后，接近传感器均不能正常工作。根据电感式接近传感器的工作原理可知，非金属感应面感应头的工作示意图如图5所示。当感应头检测面用金属材料密封时，相当于图5b）中状态，即感应头检测面的密封金属相当于靶标，金属体远离或靠近金属感应面时均不能引起线圈Q值、等效阻抗Z和等效电感L的变化，振荡器已处于停振状态，因此接近传感器不能正常工作。

图5 非金属感应面感应头的工作示意图

要保证全金属密封感应头能正常工作，必须加大电涡流贯穿深度，保证线圈产生的交变磁场能够穿透密封金属，如图6所示。由式(5)和式(10)可知，加大电涡流贯穿深度需增加线圈电感L。因此，可从磁芯材料和结构以及线圈参数两个方面采取措施。磁芯导磁率受温度影响导致线圈电感L发生变化，从而引起电涡流贯穿深度h的较大变化。民用电感式接近传感器选用铁氧体磁芯材料的磁导率温度曲线的温度系数在−25～65℃内为3 125×10-6℃。因此，为了保证接近传感器在−55～75℃均能正常工作，需要选用磁导率温度系数小的磁芯材料，保证全温范围内磁芯导磁率的稳定性。

图6 金属感应面感应头的工作示意图

2.2 解决途径

2.2.1 设计专用磁路，磁芯选用高稳定性材料

电感式接近传感器工作时敏感的参量（线圈Q值和电感L）相对变化率很低，靶标电阻率、感应线圈电阻和电感以及检测电路参数等的微小变化均会导致较大检测距离的变化，产品很容易受到温度等因素的影响，造成性能的大幅变化。因此，需要提高线圈Q值，提高产品抗干扰能力和增大测量范围。

由于空芯线圈的Q值较低，采用在感应线圈内加入高磁导率磁芯，在感应线圈电感量相同的情况下，既减少了线圈的匝数和电阻值，提高线圈的Q值，又缩小了线圈的体积，减小感应头尺寸。经过柱形磁芯、U型磁芯和罐型磁芯等多种类型的结构、材料和尺寸参数试验，试验结果表明柱形磁芯、U型磁芯结构以及1J50 材料的大长径比罐型磁芯装配的产品，在全温范围内均不能正常工作，仅有大长径比的R2KG 铁氧体罐型磁芯的磁路结构可实现感应头全金属密封结构和满足产品技术要求。

2.2.2 优化线圈参数

线圈品质因数Q是反映线圈质量的重要参数，提高线圈的Q值，是绕制线圈要注意的重点之一。为减小线圈电阻，提高线圈的品质因数，线圈不宜用过细和电阻系数较大的导线绕制。分别采用线径为φ0.06、φ0.08、φ0.1、φ0.12的QZ-1/155 聚酯漆包线绕制线圈进行全温性能试验，结果表明采用φ0.1线径绕制的感应线圈电阻小且电感大，品质因数高，装配产品后全温性能满足产品技术要求。

2.2.3 环境适应性设计

感应头灌封胶选用工作温度为−60～120℃的高强度低蠕变胶，磁芯和线圈均选用耐高低温材料，电子元器件均选用军品级高稳定性器件。振荡电路采用具有良好稳定性的两级直接耦合放大电路组成正反馈振荡放大器，可以减小温度等因素对环路增益的影响，避免在不同温度时检测距离发生较大的变化，检测电路中设有高低温补偿电路部分保证产品高低温性能。进行防砂尘和防淋雨性能设计，产品采用全密封设计，结构件选用不锈钢、铜合金、铝合金和非金属等材料，所有金属材料均进行耐环境性能的表面处理，电路板进行浸漆处理，引出线套热缩管后用氟胶布保护。另外还需要进行耐加速度和振动设计等。

3 电感式接近传感器的军事应用

军工武器装备系统需要适用于特殊任务与应用需求的高度定制型解决方案，必须具有最高的质量与可靠性。因此，对配套军工武器装备系统的接近传感器也提出了更高的要求。近十几年来，电感式接近传感器在国外军工领域得到迅速发展和应用。作为接近传感系统行业的领头羊，美国ELDEC 公司研制的电感式接近传感器已广泛应用于区域、大型商用及军用飞机，如空中客车A320/A330/A340/A380、CRJ100/200/700/900、波音737、洛克希德⋅马丁公司F-117/F-22 等的位置指示和控制系统。法国Crouzet 生产的专用外壳、宽温工作、金属前表面并且具有机内测试能力的电感式接近传感器已用于商用和军用飞机的起落架、飞行控制器、反推力装置以及舱门系统。[3]

接近传感器是飞机起落架系统和舱门开关监控系统的重要组成部分，随着飞机性能要求不断提高，对接近传感器在安全性、可靠性、经济性、环境适应性等方面提出了更严格的要求。目前，国内军用和民用飞机的舱门和起落架系统主要采用接触式行程开关，接触式行程开关存在寿命短和可靠性差等问题。国外有多家公司生产符合军用环境的电感式接近传感器，但对我国供应受到严格限制，尤其是在军工领域的应用。

4 结束语

本文通过对全金属密封电感式接近传感器的理论研究，对其关键技术进行了分析并提出了解决措施。本文研制的全金属密封电感式接近传感器具有宽温工作（−55～75℃）、全金属密封、工作可靠、性能稳定、重复定位精度高、抗干扰能力强、环境适应性强等特点，满足军工领域武器系统的要求，可用于飞机起落架系统和舱门开关监控系统、火炮装弹系统、炮塔位置检测系统，以及舰船、雷达、战车等武器装备中，用作各类自动化装置的位置指示和控制系统。

[1]蒋敦斌,李文英.非电量测量与传感器应用[M].北京∶国防工业出版社,2005.

[2]张洪润.传感器技术大全[M].北京∶北京航空航天大学出版社,2007.

[3]文元洪.开关量传感器技术讲座（二）[J].仪表技术与传感器,1995,12(4)∶43-47.