超越简单的距离测量——模拟量电感式传感器的工业应用

作者：Dipl. Physiker Oliver Marks

当今的工业自动控制已不满足于简单的开关量信号，这种情形不禁使我们想起以前电子式非接触电感式传感器取代机械开关的时期。过去，唯一的解决办法是使用一个昂贵的测量系统，但其精度等级却大大地超过了我们的应用需要。

先进的模拟量电感式传感器恰好填补了这个空白。模拟量电感式传感器能够提供一个与物体位移成比例的电流或电压信号，由此来完成简单可靠的检测和控制任务。

近些年，此类产品的技术有了长足的发展。从技术方面讲，这些装置已经赶上测量系统，但其价格与开关量电感式传感器接近，因而在许多应用中成为理想的替代方案。

一、缠绕过程监控

在对导线辊的控制中，其端点位置经常使用一个开关量传感器来监控。然而在原料输送过程中，使用一个具有模拟量输出的传感器对保持卷筒材料张紧强度的恒定很有帮助(电缆组件、印刷卷筒纸)。它可以在机器急速启动时，避免撕破纱线或纸张。这里所提及的模拟量传感器，可以被理解为开关量传感器的升级版。它提高了系统的可用性和生产速度，从而降低了成本。而且，这种传感器的使用简单便捷，与用户所熟知的开关量传感器非常近似。

此外，一个模拟量电感器式传感器能够在同一机器上完成额外的任务。例如在箔片加工这个典型模拟量传感器应用中，检测缠绕过程会受到很多因素的影响：机器应该知道卷筒是否已经绕满。

在一个优化过程中，缠绕速度极大的依赖于这个参数。另外，倘若知道了卷筒的厚度和转速，就能够精确地检测出缠绕长度。若采用先进的模拟量传感器，制造过程会得到优化，就可以取代以前需要通过极其精密、昂贵，但是难于安装的测量系统，如旋转或直线编码器。

模拟量电感式传感器能够简便且经济地解决自动控制中的各种应用问题，例如：
• 张力控制
卷厚度测量
• 不同尺寸的工件检测
• 不同材料检测
• 厚度、间隙或位移测量
• 轮偏心测量
• 轮宽测量
• 定位
• 定位控制
• 绝对位置或角偏差控制
随着对此类传感器技术的更新，将会发现更多的潜在应用方式。
过去，模拟量电感式传感器只能提供一个经验值。而且其量程范围比较小，测量精度(重复精度、温漂、线性度…)低。
当然这类传感器得益于飞速发展的微电子技术，使得今天的标准型号也能够提供特别优于10年前产品的性能。因此TURCK模拟量传感器的标准型产品都可以达到重复精度<1%和温漂<0.06% / °C。
与通常的测量系统一样，若传感器在一个恒定供电电压下经过一个15到30分钟的预热期，则其重复精度可以达到约< 0.5%。

二、模拟量传感器的可用性

这类产品的额定测量范围可以达到40 mm。可提供从0.5 - 4 mm (对于M12产品)到10...50 mm (对于80 x 80 mm 方形产品)的测量范围。

三、TURCK模拟量传感器的典型测量曲线

模拟量传感器的多种应用方式如图3 所示：

线性运动测量：

若模拟量传感器对目标直接测量，包括径向和轴向都可以达到最高重复精度。为了充分利用其测量范围，选用一个适当尺寸的目标物也至关重要。目标物也可以是机器设备的运动部分。

斜面运动测量：

当检测大范围的线性运动并需把它转换成模拟量信号时，这个大的检测距离可在传感器检测范围内通过一个斜面来完成。

因此，传感器的分辨率被分散在更长的距离上。通过选择适合形状的目标物(例如不同的倾斜度)，就可以非常精确地检测出运动的最终位置，但是中间位置并不能达到相同的精度。一旦一条参考曲线被控制系统储存，这种方式就能实现廉价且精密的检测。

蜗轮运动测量：

旋转运动能够被蜗轮装置执行。因此模拟量传感器可将每个轴向角位移赋予一个测量值。这也是检测非完全旋转运动的理想方式(例如：定位盘或动臂)，此时需要对一个很小的角度进行检测。

纵观TURCK多种外形设计的模拟量电感式传感器(图1)，我们能够为所有的应用提供适合的产品。

能够提供带有M12, M18 和 M30 螺纹的圆柱形传感器 (M5和 M8 型也在准备中)，高度为14 mm 至 80 x 80 mm，线性检测范围可达40 mm 的方形传感器，满足了所有的应用需求。全部外形均提供电压或电流输出和各种形式的电气连接方式(接插件、电缆或接线端子)。

此类产品现今的应用仅仅说明了这项技术巨大潜力的一小部分。随着在机械和系统工程中这种检测方式的认可，将来必将会有更大的发展。
现在还推出了具有频率输出的产品，可以用来驱动标准高速计数器或者控制系统的频率输入。因为用户能够以现有的技术来操作，所以大大节约了费用。
近期，更多类型，如模拟量环形传感器或特殊设计的具有可调开关量输出的模拟量传感器已经被开发出来。具有极高的线性度、精确的输出曲线和多个可编程开关点的处理器控制设备已经在研制中，并且将在近期推出。