超越簡(jiǎn)單的距離測(cè)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(dòng)控制已不滿足于簡(jiǎn)單的開關(guān)量信號(hào)，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(shí)期。過(guò)去，唯一的解決辦法是使用一個(gè)昂貴的測(cè)量系統(tǒng)，但其精度等級(jí)卻大大地超過(guò)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(gè)空白。模擬量電感式傳感器能夠提供一個(gè)與物體位移成比例的電流或電壓信號(hào)，由此來(lái)完成簡(jiǎn)單可靠的檢測(cè)和控制任務(wù)。

近些年，此類產(chǎn)品的技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。從技術(shù)方面講，這些裝置已經(jīng)趕上測(cè)量系統(tǒng)，但其價(jià)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(guò)程監(jiān)控

在對(duì)導(dǎo)線輥的控制中，其端點(diǎn)位置經(jīng)常使用一個(gè)開關(guān)量傳感器來(lái)監(jiān)控。然而在原料輸送過(guò)程中，使用一個(gè)具有模擬量輸出的傳感器對(duì)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(dòng)時(shí)，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(jí)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(jiǎn)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(gè)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(gè)典型模擬量傳感器應(yīng)用中，檢測(cè)纏繞過(guò)程會(huì)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(gè)優(yōu)化過(guò)程中，纏繞速度極大的依賴于這個(gè)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(cè)出纏繞長(zhǎng)度。若采用先進(jìn)的模擬量傳感器，制造過(guò)程會(huì)得到優(yōu)化，就可以取代以前需要通過(guò)極其精密、昂貴，但是難于安裝的測(cè)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(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)地解決自動(dòng)控制中的各種應(yīng)用問(wèn)題，例如：
• 張力控制
卷厚度測(cè)量
• 不同尺寸的工件檢測(cè)
• 不同材料檢測(cè)
• 厚度、間隙或位移測(cè)量
• 輪偏心測(cè)量
• 輪寬測(cè)量
• 定位
• 定位控制
• 絕對(duì)位置或角偏差控制
隨著對(duì)此類傳感器技術(shù)的更新，將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的潛在應(yīng)用方式。
過(guò)去，模擬量電感式傳感器只能提供一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。而且其量程范圍比較小，測(cè)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(hào)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(cè)量系統(tǒng)一樣，若傳感器在一個(gè)恒定供電電壓下經(jīng)過(guò)一個(gè)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(cè)量范圍可以達(dá)到40 mm。可提供從0.5 - 4 mm (對(duì)于M12產(chǎn)品)到10...50 mm (對(duì)于80 x 80 mm 方形產(chǎn)品)的測(cè)量范圍。

三、TURCK模擬量傳感器的典型測(cè)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(dòng)測(cè)量：

若模擬量傳感器對(duì)目標(biāo)直接測(cè)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(cè)量范圍，選用一個(gè)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(dòng)部分。

斜面運(yùn)動(dòng)測(cè)量：

當(dāng)檢測(cè)大范圍的線性運(yùn)動(dòng)并需把它轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)時(shí)，這個(gè)大的檢測(cè)距離可在傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)通過(guò)一個(gè)斜面來(lái)完成。

因此，傳感器的分辨率被分散在更長(zhǎng)的距離上。通過(guò)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(cè)出運(yùn)動(dòng)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(chǔ)存，這種方式就能實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且精密的檢測(cè)。

蝸輪運(yùn)動(dòng)測(cè)量：

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠被蝸輪裝置執(zhí)行。因此模擬量傳感器可將每個(gè)軸向角位移賦予一個(gè)測(cè)量值。這也是檢測(cè)非完全旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想方式(例如：定位盤或動(dòng)臂)，此時(shí)需要對(duì)一個(gè)很小的角度進(jìn)行檢測(cè)。

縱觀TURCK多種外形設(shè)計(jì)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(cè)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(shuō)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(cè)方式的認(rèn)可，將來(lái)必將會(huì)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(lái)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)高速計(jì)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(lái)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(jì)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(lái)。具有極高的線性度、精確的輸出曲線和多個(gè)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。