基于LDC1612/1614芯片的全金属电感式接近传感器设计及研究

(航空工业苏州长风航空电子有限公司,江苏 苏州 215151)

随着航空传感技术的进步与发展，飞机上的机械传动装置逐渐替代为电传操作系统。然而，目前在对飞机上如起落架收上/放下上锁、舱门关闭状态、发动机油门反推杆状态、缝翼位置等位置量的检测中仍普遍采用传统机械按压式的微动开关，易存在触点老化、机械寿命低以及环境适应能力差等缺点[1-3]。作为位置传感器的一种，电感式接近传感器利用电涡流效应，通过感应线圈对接近物体敏感特性的识别并输出相应的电信号实现位置测量，具有可靠性好、抗干扰能力强、重复定位精度高、寿命长等突出优点，近年来获得广泛关注[4-5]。

航空及军工武器装备系统中所使用的电感式接近传感器均要求具有较高的安全性、可靠性和环境适应性，而市面上的大多数电感式接近传感器均采用非金属材料感应头，温度低于-30 ℃时无法正常工作且耐振动和冲击等性能较弱，采用金属材料感应头的传感器又存在感应距离短等问题，一定程度上制约了其广泛应用[6-7]。基于上述问题，本文在理论研究基础上设计出一种结构简单、工作环境温度范围宽、稳定性好、感应距离长、重复定位精度高、可适当维修的全金属电感式接近传感器。同时，传感器信号处理电路充分利用LDC1612/1614芯片集成化优势，以易于实现传感器小型化及批量化生产。

1 电感式接近传感器原理

电感式接近传感器又称接近开关，主要由高频振荡电路和检测电路组成，敏感元件为检测线圈[8]。它是利用涡流损耗原理来控制振荡电路的起振和停振状态，对外输出离散的电平信号，从而实现对位置量的检测。

电感式接近传感器的工作原理如图1所示[9-11]。当感应线圈两端施加交变电压U1，产生交变电流I1流过线圈，并产生一个交变磁场H1。当被测金属导体接近线圈时，根据电磁感应原理，金属导体内产生涡流电流I2，同时产生反磁场H2抵消部分H1。感应线圈要维持磁场H1，就必须增大I1，也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。I2的大小取决于线圈的几何形状，I2越大，L、Z、Q的变化也越大。

图1 电感式接近传感器工作原理图

电感式接近传感器工作的等效电路如图2所示。根据变压器原理，把感应线圈当作变压器原边，被测金属导体涡流电路当作变压器副边[12]。U1是线圈两端施加的交变电压，R1和R2分别为线圈和金属导体的电阻，L1和L2分别为线圈和金属导体的电感，M为线圈和金属导体间的互感，随两者距离的减小而增大。

图2 电感式接近传感器等效电路

根据基尔霍夫电压定律(KVL)：

(1)

由式(1)得

(2)

感应线圈受到金属导体影响后的等效复阻抗为

(3)

式中，ω为振荡角频率,等效电阻和等效电感分别为：

(4)

感应线圈的品质因数Q为

(5)

由上述计算可知，感应线圈与金属导体间距离的变化可以引起线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q的变化。因此，传感器所用的转化电路可以选用上述参数中的任何一个并将其转换成电信号实现测量。

2 全金属电感式接近传感器设计

全金属电感式接近传感器包括传感测量和信号处理两部分，主要通过产品结构、线圈及磁路、弹簧、信号处理电路、环境适应性等几方面进行设计研究。

2.1 传感器结构设计

根据电感式接近传感器在飞机上的工作环境要求，传感器工作温度通常为-55～150 ℃，这就要求感应头采用全金属材料密封。本研究设计的电感式接近传感器结构剖视图如图3所示，主要包括金属外壳、线圈组合、支撑环、弹簧、孔用弹性挡圈、绝缘套筒、信号处理电路板和后盖等。线圈组合开口端紧贴于金属外壳前端内表面，并使用弹簧以机械方式将其压紧。绝缘套筒位于弹簧和弹性挡圈后端，中心开孔用于将线圈两端连接的导线穿过，四周开有两凹槽起到固定信号处理电路板的作用。当金属导体远离或接近传感器时，感应线圈电感发生变化并将电信号传递至信号处理电路板，通过信号调制处理，将电感变换转换为电压或电流信号，芯片进而产生振荡或非振荡，以“高电平”或“低电平”形式输出，即“0”或“1”输出。

2.2 线圈及磁路设计

图4为图3中线圈组合放大结构剖视图。线圈组合部分主要包括线圈、线圈骨架、磁芯、绝缘垫和调节螺钉等组成。由电感式接近传感器的工作原理可知，感应线圈阻抗Z、电感L和品质因数Q等参数变化均可以反映测量距离的改变，因此线圈组合是电感式接近传感器的核心关键部件。

图3 传感器结构剖视图

图4 线圈组合结构剖视图

由于电感式接近传感器采用全金属密封外壳设计，会造成感应距离减小等问题。要保证全金属外壳传感器正常工作，需加大电涡流贯穿深度以保证感应线圈产生的交变磁场穿透密闭金属。通常，电涡流贯穿深度h可通过式(6)计算得到：

(6)

线圈参数主要包括线圈匝数、线圈横截面积、线圈直径、线圈绕线直径和线圈电阻等[14]。线圈匝数是影响电感的最主要的因素，匝数越多，输出电感越大，接近和远离的电感差值也就越大。线圈匝数主要受线圈绕线直径和线圈电阻等因素限制，其可通过调整线圈绕线直径来改变[15]。线圈绕线直径越小，匝数越多，电阻也越大。因此，若规定感应线圈的电阻，线圈直径和绕线直径就可确定。结合Ansys电磁场仿真分析，为提高线圈的品质因数Q，线径φ0.08～0.1 mm的聚酰亚胺漆包线包绕于绕线直径φ5.8～6 mm的骨架350～450圈最为适宜。

2.3 弹簧设计

根据圆柱形螺旋弹簧弹性系数k的计算公式[16]：

(7)

式中，G为弹簧材料的切变模量；d为弹簧线径；R为弹簧圈的平均半径；n为弹簧的有效圈数。

又由牛顿第三定律，线圈组合受力与弹簧施力大小相当[17]：

F=ma=kx

(8)

式中，m为线圈组合的质量；a为传感器可承受振动或冲击的最大加速度值；x为弹簧的压缩量。经计算得， 当设计传感器可承受20g的振动量级时，弹簧线径d=1.2 mm，弹簧圈平均直径D=11.5 mm，弹簧有效圈数n=3。

2.4 信号处理电路设计

为实现传感器小型化、集成化和批量化生产，以及便于信号处理电路板结构固定，电感式接近传感器信号处理电路选择专用的集成电感测量芯片LDC1612/1614，并围绕该芯片进行必要的功能添加和温度补偿，设计电路原理图如图5所示。

图5 传感器信号处理电路原理图

传感器信号处理电路输入端为4～28 V的直流电源，通过稳压电路将电压输出转换为3.3 V为MCU(微处理器)与LDC1612/1614电路供电。LDC1612/1614为双通道(或4通道)28位电感数字转换器，供电电压2.7～3.6 V，可同时测量两路(或4路)电感值，测量谐振频率范围1 kHz～10 MHz，该芯片内置时钟，减小了外围电路的尺寸和成本。芯片通过I2C与MCU进行通信，通过对该芯片寄存器的配置即可满足使用需求。与此同时，电路中还使用STM8S003作为控制芯片，芯片内置时钟并具有上电复位功能，可有效减小外部电路体积。该芯片的功能是实现与LDC1612/1614芯片的通信，对LDC1612/1614寄存器进行配置以及数据读取，同时对测量数据进行进一步处理，将电感量值转换为测量距离值，并根据需求，对距离进行判断，最终输出“0”或“1”信号。

2.5 环境适应性设计

本研究设计的电感式接近传感器主要用于航空航天领域，工作环境温度要求为-55～150 ℃。为保证传感器稳定工作，在环境适应性方面进行了以下几方面考虑：① 全金属感应头密封设计，金属外壳材料选用物理性能好、电导率低、抗腐蚀性好且无磁性06Cr19Ni10不锈钢材料，可用于沙尘和淋雨等恶劣环境；② 电路板电子元器件选用军工级稳定器件，信号处理电路设置温度补偿，使传感器的耐高低温性能、耐振动和冲击性能等显著提高;③ 电路板直接选用LDC1612/1614集成化芯片并增加少量附加功能，易实现批量化生产和工程化应用。

3 实验分析

通过前述设计，研制出的全金属电感式接近传感器最大外径为16 mm，总长度≤48 mm；感应距离为4～6 mm；传感器使用温度范围可达-55～150 ℃。产品外形如图6所示。

图6 传感器外形图

图8为使用如图7所示的测试设备测量后绘制得到的传感器与金属导体接近距离和输出电感值之间的对应变化关系，传感器供电电压为直流28 V。当接近距离Ta<5 mm时，传感器的电感值L>5 mH，通过信号处理电路板处理后产生振荡，输出高电平“1”；当接近距离Ta>5 mm时，传感器电感值L<5 mH，信号处理电路板处理后不产生振荡，输出低电平“0”，从而实现到位测量功能。

图7 传感器测试设备

图8 接近距离和输出电感值对应变化关系

根据GJB150.15A、GJB150.16A、GJB150.18A、GJB150.3A、GJB150.4A、GJB150.5A和GJB150.9A要求，对本研究设计的全金属电感式接近传感器分别进行加速度、振动、冲击、高温、低温、温度冲击和湿热试验等环境适应性验证。将传感器分别置于振动试验台、高低温箱、湿热箱中，并通过线缆连接导出至设备外，用示波器实时监测传感器在临界变化距离(5 mm)附近的信号输出情况，如图9所示。其中，高、低温试验测试温度点除标准要求的-55 ℃和70 ℃外，增加了150 ℃温度点测试；振动试验除按照GJB150.16A-2009中7.3.1(程序I)进行外，还按照某型号飞机发动机实测谱严加考核。通过上述环境试验，本研究设计的传感器在-55～150 ℃工作环境温度范围及一定振动量级下信号输出稳定，且改变金属导体(靶标)位置均可实现“到位”功能的正确判断，与市面上相同体积金属感应头传感器相比探测距离(通常为2～3 mm)更远。

4 结束语

本文设计出一种基于LDC1612/1614芯片的全金属电感式接近传感器。首先，通过理论研究明晰了电感式接近传感器的工作原理，感应线圈与金属导体间距离的变化可以引起线圈电感的变化，从而转换成电压或电流信号实现测量；然后，通过产品结构、线圈及磁路、弹簧、信号处理电路、环境适应性等几方面设计突破传感器感应距离短、环境适应性差、不易修复等关键技术难题，研制出一种基于LDC1612/1614芯片的全金属电感式接近传感器；通过性能和环境试验验证了传感器的性能，传感器结构小巧简单、工作环境温度范围宽、稳定性好、感应距离长、重复定位精度高、可适当维修且易实现批量化生产，可应用于航空及军工武器装备系统，也可广泛应用于民用和工业领域。

图9 传感器环境适应性验证