远距离电感式接近开关的实现
作者单位：扬州大学
学位级别：硕士
导师姓名：方宇;黄鹭
授予年度：2021年
学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学]
摘 要：进入21世纪以来,接近开关的应用越来越广泛,需求量也越来越大。由于不同的领域需要使用不同的接近开关,因此接近开关的种类也越来越多。不同的行业与工作环境对接近开关的功能要求不一样,因此在选择接近开关时需要满足测量要求。因其他类型的接近开关连接电路复杂且测量精度易受环境影响,而电感式接近开关灵活性好,抗干扰能力强,这使得电感式接近开关的使用率不断提高。随着工业与航天技术的不断发展,电感式接近开关不仅在结构上要求简单灵活,在性能上也要求感应范围更大,测量精度更高,还要能够在极低温或极高温的环境下稳定工作。因此,论文针对能够在恶劣环境下进行远距离测量的电感式接近开关进行研究,具有重要的实际意义。论文研究设计了分离式和集成式两种电感式接近开关的实现方法。分离式电感式接近开关使用了两套互补的差分发射线圈增大了接近开关的检测距离,采用桥式差分电路作为电子测量电路,并详细阐述了测量电路的工作原理。基于桥式差分电感检测的电路,保留了有用的差模信号,抵消了绝大部分的共模信号,增强了分离式电感式接近开关的抗干扰能力。集成式电感式接近开关使用了高效能的振荡器和耦合线圈,确保了集成式电感式接近开关达到最大的感应距离,模块化分析了集成式电感式接近开关的工作原理,耦合线圈系统的使用能够保证集成式电感式接近开关不会受到频率转换器或焊接时强磁场的干扰。论文对电感式接近开关能够在恶劣环境下稳定工作进行了研究设计。分离式电感式接近开关提出将接近开关的探头与检测电路分开的方法,即将接近开关的检测探头置于极高温或极低温环境中,而将检测电路放在正常的温度下,选用宽温度的器件实现分离式接近开关在恶劣环境下的精确测量。集成式电感式接近开关通过热敏电阻网络的自适应调节使其在温度较高或较低时能够实现远距离测量,通过ICEPAK仿真软件对集成式电感式接近开关的PCB温度场进行了仿真,研究了印制电路板的器件布局方法,从而保证集成式电感式接近开关能够在恶劣环境下稳定工作。在设计分离式电感式接近开关的桥式差分电感检测电路过程中,论文研究了阻抗匹配器的原理和JFET等效电阻的使用,提出将两者结合实现桥式电路中参考电感的方法,并根据此种方法提出了一种基于积分-比例积分(I-PI)控制器的自动校零方法。桥式差分电感检测电路的输出电压被送到I-PI控制器中进行调节,控制器输出一个控制电压Vctrl到JFET的栅极,控制JFET的等效电阻使得参考电感与检测电感相等,此时桥式差分电感检测电路上下桥臂达到平衡状态,输出电压为0,即实现了电感式接近开关的自动调零。在自动调零基础上论文提出基于FPGA的衰减系数为1的分离式电感式接近开关实现方法,当目标物位于开关的感应范围内时,检测线圈的电感会发生变化,变化的电感量被送到后级的FPGA中,根据变化的电感量在FPGA中查询与之对应的接近距离表,即可得到目标物的接近距离。当靠近的目标物材料不同,接近距离表也不同,切换至与之对应的接近距离表实现距离补偿即可实现衰减系数为1的分离式电感式接近开关,即在同一感应范围检测所有的金属。对于集成式电感式接近开关的实现,论文研究了包括振荡模块、比较模块、输出模块,电阻调节模块,耦合线圈模块五个模块工作原理,在此基础上设计了集成式电感式接近开关的电路原理图。高效能振荡模块的使用使得开关的感应范围足够大,从而实现远距离测量;比较模块通过输出高低电平控制着感应灯的亮与不亮;输出模块通过输出高低电平来代表是否有金属物靠近;电阻调节模块设计中采用了热敏电阻网络和可调节电阻,热敏电阻网络使得接近开关在高温或低温环境中可以稳定工作,可调节电阻使得接近开关的感应范围可调,用户可根据自己需求调节使用;线圈模块采用耦合的空心线圈,大线圈作为发射线圈,小线圈作为接收线圈,当有金属物靠近时,线圈自动调整检测,从而实现同一感应距离检测出所有金属物,即衰减系数为1。论文采用Candence、Multisim和Icepak对分离式和集成式电感式接近开关的功能进行了仿真验证,并在仿真的基础上设计了接近开关的两种不同的电路原理图并制作了验证样机,在样机平台上针对不同金属物在不同温度环境下进行了实验,实验结果验证了论文中电感式接近开关设计原理的正确性。
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