超越簡單的距離測量——模擬量電感式傳感器的工業(yè)應(yīng)用

作者：Dipl. Physiker Oliver Marks

當(dāng)今的工業(yè)自動控制已不滿足于簡單的開關(guān)量信號，這種情形不禁使我們想起以前電子式非接觸電感式傳感器取代機(jī)械開關(guān)的時期。過去，唯一的解決辦法是使用一個昂貴的測量系統(tǒng)，但其精度等級卻大大地超過了我們的應(yīng)用需要。

先進(jìn)的模擬量電感式傳感器恰好填補(bǔ)了這個空白。模擬量電感式傳感器能夠提供一個與物體位移成比例的電流或電壓信號，由此來完成簡單可靠的檢測和控制任務(wù)。

近些年，此類產(chǎn)品的技術(shù)有了長足的發(fā)展。從技術(shù)方面講，這些裝置已經(jīng)趕上測量系統(tǒng)，但其價格與開關(guān)量電感式傳感器接近，因而在許多應(yīng)用中成為理想的替代方案。

一、纏繞過程監(jiān)控

在對導(dǎo)線輥的控制中，其端點(diǎn)位置經(jīng)常使用一個開關(guān)量傳感器來監(jiān)控。然而在原料輸送過程中，使用一個具有模擬量輸出的傳感器對保持卷筒材料張緊強(qiáng)度的恒定很有幫助(電纜組件、印刷卷筒紙)。它可以在機(jī)器急速啟動時，避免撕破紗線或紙張。這里所提及的模擬量傳感器，可以被理解為開關(guān)量傳感器的升級版。它提高了系統(tǒng)的可用性和生產(chǎn)速度，從而降低了成本。而且，這種傳感器的使用簡單便捷，與用戶所熟知的開關(guān)量傳感器非常近似。

此外，一個模擬量電感器式傳感器能夠在同一機(jī)器上完成額外的任務(wù)。例如在箔片加工這個典型模擬量傳感器應(yīng)用中，檢測纏繞過程會受到很多因素的影響：機(jī)器應(yīng)該知道卷筒是否已經(jīng)繞滿。

在一個優(yōu)化過程中，纏繞速度極大的依賴于這個參數(shù)。另外，倘若知道了卷筒的厚度和轉(zhuǎn)速，就能夠精確地檢測出纏繞長度。若采用先進(jìn)的模擬量傳感器，制造過程會得到優(yōu)化，就可以取代以前需要通過極其精密、昂貴，但是難于安裝的測量系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)或直線編碼器。

模擬量電感式傳感器能夠簡便且經(jīng)濟(jì)地解決自動控制中的各種應(yīng)用問題，例如：
• 張力控制
卷厚度測量
• 不同尺寸的工件檢測
• 不同材料檢測
• 厚度、間隙或位移測量
• 輪偏心測量
• 輪寬測量
• 定位
• 定位控制
• 絕對位置或角偏差控制
隨著對此類傳感器技術(shù)的更新，將會發(fā)現(xiàn)更多的潛在應(yīng)用方式。
過去，模擬量電感式傳感器只能提供一個經(jīng)驗(yàn)值。而且其量程范圍比較小，測量精度(重復(fù)精度、溫漂、線性度…)低。
當(dāng)然這類傳感器得益于飛速發(fā)展的微電子技術(shù)，使得今天的標(biāo)準(zhǔn)型號也能夠提供特別優(yōu)于10年前產(chǎn)品的性能。因此TURCK模擬量傳感器的標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品都可以達(dá)到重復(fù)精度1%和溫漂0.06% / °C。
與通常的測量系統(tǒng)一樣，若傳感器在一個恒定供電電壓下經(jīng)過一個15到30分鐘的預(yù)熱期，則其重復(fù)精度可以達(dá)到約 0.5%。

二、模擬量傳感器的可用性

這類產(chǎn)品的額定測量范圍可以達(dá)到40 mm?？商峁?.5 - 4 mm (對于M12產(chǎn)品)到10...50 mm (對于80 x 80 mm 方形產(chǎn)品)的測量范圍。

三、TURCK模擬量傳感器的典型測量曲線

模擬量傳感器的多種應(yīng)用方式如圖3 所示：

線性運(yùn)動測量：

若模擬量傳感器對目標(biāo)直接測量，包括徑向和軸向都可以達(dá)到最高重復(fù)精度。為了充分利用其測量范圍，選用一個適當(dāng)尺寸的目標(biāo)物也至關(guān)重要。目標(biāo)物也可以是機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動部分。

斜面運(yùn)動測量：

當(dāng)檢測大范圍的線性運(yùn)動并需把它轉(zhuǎn)換成模擬量信號時，這個大的檢測距離可在傳感器檢測范圍內(nèi)通過一個斜面來完成。

因此，傳感器的分辨率被分散在更長的距離上。通過選擇適合形狀的目標(biāo)物(例如不同的傾斜度)，就可以非常精確地檢測出運(yùn)動的最終位置，但是中間位置并不能達(dá)到相同的精度。一旦一條參考曲線被控制系統(tǒng)儲存，這種方式就能實(shí)現(xiàn)廉價且精密的檢測。

蝸輪運(yùn)動測量：

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能夠被蝸輪裝置執(zhí)行。因此模擬量傳感器可將每個軸向角位移賦予一個測量值。這也是檢測非完全旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想方式(例如：定位盤或動臂)，此時需要對一個很小的角度進(jìn)行檢測。

縱觀TURCK多種外形設(shè)計的模擬量電感式傳感器(圖1)，我們能夠?yàn)樗械膽?yīng)用提供適合的產(chǎn)品。

能夠提供帶有M12, M18 和 M30 螺紋的圓柱形傳感器 (M5和 M8 型也在準(zhǔn)備中)，高度為14 mm 至 80 x 80 mm，線性檢測范圍可達(dá)40 mm 的方形傳感器，滿足了所有的應(yīng)用需求。全部外形均提供電壓或電流輸出和各種形式的電氣連接方式(接插件、電纜或接線端子)。

此類產(chǎn)品現(xiàn)今的應(yīng)用僅僅說明了這項(xiàng)技術(shù)巨大潛力的一小部分。隨著在機(jī)械和系統(tǒng)工程中這種檢測方式的認(rèn)可，將來必將會有更大的發(fā)展。
現(xiàn)在還推出了具有頻率輸出的產(chǎn)品，可以用來驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)高速計數(shù)器或者控制系統(tǒng)的頻率輸入。因?yàn)橛脩裟軌蛞袁F(xiàn)有的技術(shù)來操作，所以大大節(jié)約了費(fèi)用。
近期，更多類型，如模擬量環(huán)形傳感器或特殊設(shè)計的具有可調(diào)開關(guān)量輸出的模擬量傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來。具有極高的線性度、精確的輸出曲線和多個可編程開關(guān)點(diǎn)的處理器控制設(shè)備已經(jīng)在研制中，并且將在近期推出。