基于磁屏蔽的渦流式接近傳感器的結構優化研究

陳強

（安康學院 科研處，陜西 安康 725000）

基于磁屏蔽的渦流式接近傳感器的結構優化研究

陳強

（安康學院 科研處，陜西 安康 725000）

基于提高渦流式接近傳感器性能的目的，本文采用在鐵氧體磁芯的頂部添加帽型磁屏蔽片的方法，使主要的磁通經過鐵芯和帽型磁屏蔽片而達到閉合，使磁路得到明顯改善。本文從傳感特性、磁通分布和渦流損耗等方面對傳感器進行定量的電磁描述，經過有限元分析和實驗驗證，這一結構優化能使傳感指數降低7.3%，有效提高接近傳感器的性能。

接近傳感器；渦流損耗；品質因數；磁屏蔽；結構優化

optimization

渦流式接近傳感器是一種非接觸傳感裝置，在被測導體中感生出渦流，渦流損失會導致檢測線圈的電阻增加，以此反應被測導體與傳感器的距離。作為一種常見的工業傳感器，對其進行性能提高和設計優化，具有積極的現實意義[1-6]。

傳統接近傳感器的磁路主要由被測導體、鐵芯以及兩者間的空氣構成，具有較大的磁損耗。相關研究表明，降低接近傳感器中構成磁路的各個部件的磁損耗，有助于提高其工作性能。隨著磁性材料的發展，低磁導率的磁性塑料被大量應用。磁性塑料的相對磁導率在5～100之間，低于傳統的磁性材料[7-9]。本文通過在鐵氧體磁芯的頂部添加一個由磁性塑料制成的帽型磁屏蔽片，使得傳感器的主要磁通，經過鐵芯和帽型磁屏蔽片達到閉合，從而降低達到被測導體的磁通量。

這一帽型磁屏蔽片所用的磁性塑料其相對磁導率為8，在進行有限元分析時，對材料的取值可以限制在2～40之間。文中針對接近傳感器的各個部件，從傳感特性、磁通分布和渦流損耗等方面進行定量的電磁描述，并進行了有限元分析和實驗驗證，對接近傳感器的結構進行了有效的優化。

1 理論分析

傳統的接近傳感器由鐵氧體磁芯、線圈和殼體構成，文中增加了一個由磁性塑料制成的磁屏蔽片。接近傳感器的實物照片和增加了帽型磁屏蔽片之后的傳感器結構示意圖見圖1所示。傳感器各個組件的物理參數如表1所示，額定工作頻率為350 kHz。

式中Qt—有被測導體時線圈的品質因數，

Q∞—無被測導體時線圈的品質因數。

ω—角頻率

L—線圈的電感

R—線圈的電阻

在進行有限元計算時線圈的各個參數R、L、Q等可以通過式（5）～（7）進行計算。此外，在計算Q值時，除了直流電阻還要考慮高頻電流所帶來的附加電阻，其計算過程見見式（5）。

表1 各組件的物理參數

2 實驗與驗證

圖1 接近傳感器的結構

圖2 Q的試驗結果與計算結果

圖3 R的計算結果

圖4 L的計算結果

這一差異可以歸結于被測導體中的渦流損耗，渦流損耗與被測導體表面的最大磁通密度的平方成正比。因此可以分別測試，被測導體表面和磁屏蔽片附近幾處位置（Z=8，9，14.6 mm）的磁通密度的分布情況進行驗證。測試位置示意圖如圖5所示，圖中的磁通密度的最大值出現在r=3 mm處，這一位置對應線圈所在腔體的邊界位置。由于屏蔽片的磁阻很小，因此磁通主要集中在鐵芯和屏蔽片構成的磁路中。而檢測線圈的電感不受屏蔽片的影響，其值的大小主要受和等效交流阻抗（渦流損失帶來）的影響[13-15]。實驗所采用的工作條件為恒壓激勵，與實際工作條件一致。其中，被測導體處的磁通密度B的分布如圖6所示。

圖5 磁通密度的測試位置

圖6 被測導體處的磁通密度分布

3 結 論

文中提出了一種渦流式接近傳感器的結構優化方法，通過在磁芯頂部添加由磁性塑料制成的帽型磁屏蔽片，使得接近傳感器的主要磁通[17]，經由鐵芯和帽型磁屏蔽片構成磁路達到閉合，使傳感器的傳感指數降低7.3%，感知特性明顯增強。同時，這一結構改進也有利于增大渦流傳感器的輸出。實驗結果表明，這一改進能夠有效地提高渦流式接近傳感器的工作性能，具有積極的現實意義。

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Structure optimization research of proximity sensor based on magnetic shielding

CHEN Qiang
（Department of Science and Technology，Ankang University，Ankang 725000，China）

Based on the purpose to improve the performance of turbo proximity sensor，this paper add the cap-shaped magnetic flux shield at the top of the ferrite core.The proposed sensorhas closed magnetic circuitthrough the core and cap magnetic shielding.Therefore，magnetic circuit is improved significantly.This paper quantitatively accounts the electromagnetisms of thesensor from sensing property，?ux distributions，and eddy-current loss in each part of the sensor.Through the finite element analysis and experimental validation，thisstructural optimization can reduce sensory index 7.3% ，effectively improve the performance of traditional proximity sensor.

proximity sensor；eddy current loss；coil quality factor；magnetic shielding；structure

TP212

：A

：1674-6236（2017）08-0065-03

2016-04-28稿件編號：201604275

安康學院2013年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201311397005）；安康學院2013年校級大學生創新創業訓練計劃項目（2013aku015）

陳 強（1983—），男，湖北黃岡人，實習研究員。研究方向：測控儀表、計算機系統集成。