宽温度、远距离测量的电感式接近开关研究

作     者：王明南 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方宇;陈立

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：电感式接近开关 宽温度范围 远距离测量 桥式差分电感检测电路 

摘      要：进入21世纪以来,各个领域对接近式开关的需求越来越大。由于多方面的需求,接近式开关正朝着多元化方向发展。针对不同的应用场合,应选择满足要求的接近开关。因电容式接近开关易受到一些非金属污染物的影响,而电感式接近开关具有结构简单、抗干扰能力强等优点,这使得电感式接近开关的应用越来越广泛。当前随着航天、工业的发展,对电感式接近开关的要求也越来越高,不仅要求有更小的体积、更高的测量精度、更远的检测范围,还要能在恶劣的环境下正常工作。为此,论文针对宽温度范围、远距离测量的电感式接近开关展开研究,具有重要的实际意义。论文研究了电感式接近开关的远距离测量技术。采用了桥式差分电感检测电路,并详细分析了桥式差分电感检测电路的工作原理。基于桥式差分电感检测电路的测量方法,可抵消绝大部分外部干扰信号(共模噪声信号),而尽可能确保所检测信息(差模信号)有效,从而使系统具备极强的抗干扰能力。为了获得更远距离的检测,论文采用了发射线圈互补的结构,并用电力电子技术中的全桥逆变电路实现振荡激励电路,从而增强了磁场强度,实现远距离测量。论文研究了电感式接近开关的宽温度范围应用技术。论文提出探头与桥式差分电感检测电路分开设计的方法,将探头放在环境相对恶劣的环境中,而将测量电路放在环境温度较好的环境下,并且选用工作温度范围较宽的器件。通过ANSYS温度场的仿真研究了 PCB器件布局方法,从而实现电感式接近开关在宽温度范围下的应用技术。论文在研究桥式差分电感检测电路的基础上,提出一种衰减系数为1的电感式接近开关实现方法。论文中电感式接近开关的电子测量电路由调理电路和FPGA构成;当目标金属物接近感应面时,检测线圈的电感量发生变化产生电感增量,并随着接近距离的变化而变化,这个变化的电感增量信号通过调理电路检测放大后送到FPGA,在FPGA中通过查询接近距离表得到目标金属物的接近距离,对于不同的目标金属物,可查询相应的接近距离表,从而实现衰减系数为1的电感式接近开关,即在同一感应距离可检测多种目标金属物。在桥式差分电感检测电路的设计过程中,论文研究了通过通用阻抗变换器和JFET结型场效应管的导通电阻实现参考电感的工作原理,并提出了一种基于积分-比例积分微分(I-PID)控制器的测量自动校零方法。在桥式差分电感检测电路中,论文提出由FPGA输出JFET的门极控制信号以实现JFET的可变导通电阻,从而实现所述参考电感的可调。当电感式接近开关远离实测物体时,将FPGA中检测到的电感增量信号通过积分-比例积分微分控制器调节,得到的调节信号用于控制JFET的门极便得到相应的导通电阻,使得桥式差分电感检测电路中的等效参考电感与检测线圈的感量相等,从而致使桥式差分电感检测电路的输出为0,即实现了电感式接近开关的自动调零。这一技术有助于电感式接近开关批量生产的一致性和高可靠性,同时避免了参考电感难以精准制作的缺点。论文采用ANSYS和PSPICE软件对所研究电感式接近开关的关键技术进行了仿真,在仿真的基础上初步设计了电感式接近开关的桥式差分电感检测电路和FPGA算法,并制作了验证样机,在样机平台上对铁、铝、铜三种不同金属进行了实验,测试数据表明论文所研究的电感式接近开关技术能实现远距离和衰减系数为1的测量。从而验证了论文所采用的理论和设计方法的可行性和正确性。