超越簡(jiǎn)單的距離測量——模擬量電感式傳感器的工業(yè)應用

作者：Dipl. Physiker Oliver Marks

當今的工業(yè)自動(dòng)控制已不滿(mǎn)足于簡(jiǎn)單的開(kāi)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械開(kāi)關(guān)的時(shí)期。過(guò)去，唯一的解決辦法是使用一個(gè)昂貴的測量系統，但其精度等級卻大大地超過(guò)了我們的應用需要。

先進(jìn)的模擬量電感式傳感器恰好填補了這個(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，由此來(lái)完成簡(jiǎn)單可靠的檢測和控制任務(wù)。

近些年，此類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)有了長(cháng)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，但其價(jià)格與開(kāi)關(guān)量電感式傳感器接近，因而在許多應用中成為理想的替代方案。

一、纏繞過(guò)程監控

在對導線(xiàn)輥的控制中，其端點(diǎn)位置經(jīng)常使用一個(gè)開(kāi)關(guān)量傳感器來(lái)監控。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保持卷筒材料張緊強度的恒定很有幫助(電纜組件、印刷卷筒紙)。它可以在機器急速啟動(dòng)時(shí)，避免撕破紗線(xiàn)或紙張。這里所提及的模擬量傳感器，可以被理解為開(kāi)關(guān)量傳感器的升級版。它提高了系統的可用性和生產(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(hù)所熟知的開(kāi)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用中，檢測纏繞過(guò)程會(huì )受到很多因素的影響：機器應該知道卷筒是否已經(jīng)繞滿(mǎn)。

在一個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，纏繞速度極大的依賴(lài)于這個(gè)參數。另外，倘若知道了卷筒的厚度和轉速，就能夠精確地檢測出纏繞長(cháng)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，但是難于安裝的測量系統，如旋轉或直線(xiàn)編碼器。

模擬量電感式傳感器能夠簡(jiǎn)便且經(jīng)濟地解決自動(dòng)控制中的各種應用問(wèn)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(zhù)對此類(lèi)傳感器技術(shù)的更新，將會(huì )發(fā)現更多的潛在應用方式。
過(guò)去，模擬量電感式傳感器只能提供一個(gè)經(jīng)驗值。而且其量程范圍比較小，測量精度(重復精度、溫漂、線(xiàn)性度…)低。
當然這類(lèi)傳感器得益于飛速發(fā)展的微電子技術(shù)，使得今天的標準型號也能夠提供特別優(yōu)于10年前產(chǎn)品的性能。因此TURCK模擬量傳感器的標準型產(chǎn)品都可以達到重復精度1%和溫漂0.06% / °C。
與通常的測量系統一樣，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分鐘的預熱期，則其重復精度可以達到約 0.5%。

二、模擬量傳感器的可用性

這類(lèi)產(chǎn)品的額定測量范圍可以達到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(xiàn)

模擬量傳感器的多種應用方式如圖3 所示：

線(xiàn)性運動(dòng)測量：

若模擬量傳感器對目標直接測量，包括徑向和軸向都可以達到最高重復精度。為了充分利用其測量范圍，選用一個(gè)適當尺寸的目標物也至關(guān)重要。目標物也可以是機器設備的運動(dòng)部分。

斜面運動(dòng)測量：

當檢測大范圍的線(xiàn)性運動(dòng)并需把它轉換成模擬量信號時(shí)，這個(gè)大的檢測距離可在傳感器檢測范圍內通過(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(cháng)的距離上。通過(guò)選擇適合形狀的目標物(例如不同的傾斜度)，就可以非常精確地檢測出運動(dòng)的最終位置，但是中間位置并不能達到相同的精度。一旦一條參考曲線(xiàn)被控制系統儲存，這種方式就能實(shí)現廉價(jià)且精密的檢測。

蝸輪運動(dòng)測量：

旋轉運動(dòng)能夠被蝸輪裝置執行。因此模擬量傳感器可將每個(gè)軸向角位移賦予一個(gè)測量值。這也是檢測非完全旋轉運動(dòng)的理想方式(例如：定位盤(pán)或動(dòng)臂)，此時(shí)需要對一個(gè)很小的角度進(jìn)行檢測。

縱觀(guān)TURCK多種外形設計的模擬量電感式傳感器(圖1)，我們能夠為所有的應用提供適合的產(chǎn)品。

能夠提供帶有M12, M18 和 M30 螺紋的圓柱形傳感器 (M5和 M8 型也在準備中)，高度為14 mm 至 80 x 80 mm，線(xiàn)性檢測范圍可達40 mm 的方形傳感器，滿(mǎn)足了所有的應用需求。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(xiàn)端子)。

此類(lèi)產(chǎn)品現今的應用僅僅說(shuō)明了這項技術(shù)巨大潛力的一小部分。隨著(zhù)在機械和系統工程中這種檢測方式的認可，將來(lái)必將會(huì )有更大的發(fā)展。
現在還推出了具有頻率輸出的產(chǎn)品，可以用來(lái)驅動(dòng)標準高速計數器或者控制系統的頻率輸入。因為用戶(hù)能夠以現有的技術(shù)來(lái)操作，所以大大節約了費用。
近期，更多類(lèi)型，如模擬量環(huán)形傳感器或特殊設計的具有可調開(kāi)關(guān)量輸出的模擬量傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。具有極高的線(xiàn)性度、精確的輸出曲線(xiàn)和多個(gè)可編程開(kāi)關(guān)點(diǎn)的處理器控制設備已經(jīng)在研制中，并且將在近期推出。