电容电感式传感器在现代工业生产中的应用

2021-01-25钟火旺

通信电源技术 2020年18期

钟火旺

（东莞理工学校，广东东莞 523470）

0 引言

随着现代科学技术的飞速发展，要求降低生产成本与提高人工待遇的矛盾越来越突出。为了解决这个矛盾，在政府相关政策的支持下，许多企业和工厂都在进行着相应的技术改造。提高产品档次和产能规模、促进产业结构调整以及加速产业升级已成为企业发展的内在需求。而电容电感式传感器在其中发挥了关键作用。引进的成套设备中使用了大量的传感器，同时在企业中进行的许多小改进和小发明也应用到大量的电容电感式传感器。

1 电容电感传感器的类别及特点

电容电感传感器的应用非常广泛。但根据各自的特点，其应用场合又有区别。电容式传感器可以分为变间距、变面积以及变介质几种类型，可以用于多种被测材质。而电感式传感器只能用于金属被测物体。此外，电容传感器需要确保被测环境没有污染，如灰尘，油污以及水等。应为这些因素会改变介电常数，从而改变测量结果。而电感式传感器对上述因素无感，可以放心用。另外虽然电容传感器精度相对高些，但是测量频率可能会稍低[1]。

1.1 电容传感器

电容传感器的检测部件实际上是一个参数可变的电容器。多数情况下，电容器由两个金属平行板组成，以空气为介质。其电容量为：

式中，ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板正对的面积；d为两平行板之间的距离。当式（1）中的A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。电容传感器分为3种类别。其中，第1种为变极距式传感器。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度，可以测量微米数量的位移。第2种为变面积式传感器。若因外界因素导致传感器出现线位移或角位移，使电极间的覆盖面积A发生变化，而两电极间的距离d和介电常数ε不发生变化时，会引起电容值的相对变化量，适用于测量厘米数量级的位移。第3种为变介电常数式传感器。若因外界因素导致传感器两个极板间的介电常数ε发生变化，而两电极间的距离d和覆盖面积A不发生变化时，其测量结果往往与被测材质相关。

1.2 电感传感器

电感传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感量的一种装置，常用来测量位移。凡是能够转换成位移的参数都可以进行检测，如力、压力、振动、尺寸、转速、计数测量以及零件裂纹等缺陷的无损探伤等。其具有结构简单可靠、灵敏度和分辨率非常高、稳定、零点漂移小、测量线性好以及输出功率大等特点。但也存在响应时间较长的缺点，因此不适合做要求较高的动态测量。其按工作原理可分为自感式和互感式两大类。

1.2.1 自感式电感传感器

为提高自感式传感器的灵敏度，增大传感器的线性工作范围，实际应用中较多的是将两个结构相同的自感线圈组合在一起形成差动式电感传感器。采用差动式结构，除了可以改善非线性并提高灵敏度外，对电源电压和频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用。作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。

1.2.2 互感式电感传感器

这种传感器中变压器一次线圈输入交流电压，二次线圈则互感出电势。由于该变压器的二次线圈常接成差动形式，所以也称为差动变压器式传感器。它可以测量1～100 mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单以及性能可靠等优点，因此应用广泛。

2 电容电感式传感器在现代工业生产中的应用

2.1 工件靠近检测

使用电容接近式开关和电感接近式开关连接到LED，通过LED的亮灭指示是否检测到被测物。当被检测工件进入到传感器的检测范围时，相应的指示灯点亮。常见的电容电感接近式开关多采用三线接法，工作电压为10～30 V DC，应用时接于工业控制电源DC 24 V上。褐色线接电源“+”，蓝色接“0 V”，黑色为信号输出线。至于输出高电平代表有检测到物件还是低电平代表有检测到物件取决于传感器是PNP型还是NPN型。无论是电容传感器还是电感传感器都有一定的检测距离，将被测物置于传感器检测范围内，传感器应该输出正确的检测信号。当被测物远离至超出有效检测距离时，输出的检测信号随之复位。

2.1.1 安装传感器

传感器的安装位置如图1所示。中间矩形物为被测工件，左右两侧分别安装电容电感接近式开关。以被检测物件尺寸做参考，令接近式开关与被测物之间的距离约为1～2 mm。由于电感接近式开关的检测距离短，因此检测时必须保证被测物在不与检测器件发生碰撞的情况下尽量接近电感接近式开关。

图1 传感器安装示意图

2.1.2 连接电路

连接电路如图2所示。电容电感接近式开关的引线共有3条，表皮颜色分别为棕、黑、蓝。其中，棕色线用于连接电源，接直流稳压电源DC 24 V的正极，蓝色线接直流稳压电源接地端，黑色线接输出端。发光二极管串接一限流电阻接与电源正极与接近式开关的黑线之间。电感接近式开关接发光二极管D1，电容传接近式开关的输出线接发光二极管D2。D1和D2为指示灯，用于显示两传感器的检测结果。D1亮意味电感接近式开关检测到金属物件，D2亮表示电容接近式开关检测到物件。

图2 工件检测电路图

2.2 工件材料识别

组合使用电容电感接近式开关，在给定的金属和塑料工件群里识别出哪些是金属工件，哪些是塑料工件。检测对象比较简单，只有金属和塑料两种材质。这就意味着，只要其中一种能确定，另外一种也可以确定。恰好，金属接近式开关能将金属确定下来。如果将两个接近式开关安装于同一个监测点检测同一个工件，根据如表1所示的上一个任务的检测结果，反推可知，能让两个接近式开关接通的是金属，只能让电容接近式开关接通的就是塑料。

表1 检测结果

工件识别电路如图3所示，显示部分由CD4011与非门和LED组成。CD4011的工作电源为DC 5 V，但是电感和电容接近式开关的工作电压为DC 24 V，两者不能共用电源。为连接传感器与显示电路，中间使用了U1和U2两个光电耦合器。若电感接近式开关检测到金属工件，信号输出端“黑”线为低电平，光电耦合器里的发光二极管被点亮，从而让其输出端的光电管导通，CD4011的第一组与非门1、2脚为低电平。1脚和2脚连接在一起时表示非门，3脚输出高电平发光二极管D1点亮，表示当前工件为金属。若被检测工件是塑料，电容接近式开关输出低电平，电感接近式开关输出高电平，即CD4011的5脚和6脚为低电平，1脚、2脚以及8脚为高电平。结果就是当D1处于熄灭状态，D2为点亮状态时，工件是塑料[1]。

2.3 工件计数

整个系统的原理图如图4所示。机器要想知道已经装进箱子多少件产品。首要的任务是感知产品的存在，因此需要传感器。使用电容接近式开关、电感接近式开关以及CD4017计数器组成检测系统。将给定的若干个金属和塑料混合在一起的工件逐个通过由两个接近式开关组成的检测区，借助D1～D10和D11～D20两组LED表示金属和塑料工件的数量。被检测物通过检测区时，自远而近的接近接近式开关，然后自近而远的离开。此过程电容或电感接近式开关的输出端产生一个脉冲信号以示检测到一个被测物。只要被测物是单个且稳定地通过接近式开关的检测区，那么脉冲的个数就是对应被测物的个数。将电容接近式开关和电感接近式开关构成一个共点检测区检测同一个工件时，传感器输出脉冲驱动光电耦合器，光电耦合器输出端连接由CD4017组成的计数器。D11～D20显示的是电容传感器检测的工件数C，D1～D10显示的则是电感传感器检测的金属工件数A，塑料工件的数量自然可以由C-A获得。

3 结论

电容电感式传感器虽然应用非常广泛，但由于其作用原理和类别的不同，所以具体的应用也会不同。使用时可以选择电容传感器、电感传感器以及两种传感器组合而成的混合传感器。在选用时需要在清楚所用传感器所具有优点的基础上，清楚它们所存在的不足，以便选择出最合适的传感器，从而达到预想的目标。电容式传感器的主要缺点有输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大以及输出特性非线性等。但随着材料、工艺、电子技术特别是集成电路的高速发展，其优点将得到发扬而缺点会不断得到克服。电感式传感器的主要缺点是传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量，且对激磁电源频率和幅度的稳定度要求较高。此外，传感器分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力低，反之则高。