基于LDC1612/1614芯片的全金屬電感式接近傳感器設計及研究

(航空工業蘇州長風航空電子有限公司,江蘇 蘇州 215151)

隨著航空傳感技術的進步與發展，飛機上的機械傳動裝置逐漸替代為電傳操作系統。然而，目前在對飛機上如起落架收上/放下上鎖、艙門關閉狀態、發動機油門反推桿狀態、縫翼位置等位置量的檢測中仍普遍采用傳統機械按壓式的微動開關，易存在觸點老化、機械壽命低以及環境適應能力差等缺點[1-3]。作為位置傳感器的一種，電感式接近傳感器利用電渦流效應，通過感應線圈對接近物體敏感特性的識別并輸出相應的電信號實現位置測量，具有可靠性好、抗干擾能力強、重復定位精度高、壽命長等突出優點，近年來獲得廣泛關注[4-5]。

航空及軍工武器裝備系統中所使用的電感式接近傳感器均要求具有較高的安全性、可靠性和環境適應性，而市面上的大多數電感式接近傳感器均采用非金屬材料感應頭，溫度低于-30 ℃時無法正常工作且耐振動和沖擊等性能較弱，采用金屬材料感應頭的傳感器又存在感應距離短等問題，一定程度上制約了其廣泛應用[6-7]。基于上述問題，本文在理論研究基礎上設計出一種結構簡單、工作環境溫度范圍寬、穩定性好、感應距離長、重復定位精度高、可適當維修的全金屬電感式接近傳感器。同時，傳感器信號處理電路充分利用LDC1612/1614芯片集成化優勢，以易于實現傳感器小型化及批量化生產。

1 電感式接近傳感器原理

電感式接近傳感器又稱接近開關，主要由高頻振蕩電路和檢測電路組成，敏感元件為檢測線圈[8]。它是利用渦流損耗原理來控制振蕩電路的起振和停振狀態，對外輸出離散的電平信號，從而實現對位置量的檢測。

電感式接近傳感器的工作原理如圖1所示[9-11]。當感應線圈兩端施加交變電壓U1，產生交變電流I1流過線圈，并產生一個交變磁場H1。當被測金屬導體接近線圈時，根據電磁感應原理，金屬導體內產生渦流電流I2，同時產生反磁場H2抵消部分H1。感應線圈要維持磁場H1，就必須增大I1，也就相當于線圈的電感L、阻抗Z和品質因數Q值發生了變化。I2的大小取決于線圈的幾何形狀，I2越大，L、Z、Q的變化也越大。

圖1 電感式接近傳感器工作原理圖

電感式接近傳感器工作的等效電路如圖2所示。根據變壓器原理，把感應線圈當作變壓器原邊，被測金屬導體渦流電路當作變壓器副邊[12]。U1是線圈兩端施加的交變電壓，R1和R2分別為線圈和金屬導體的電阻，L1和L2分別為線圈和金屬導體的電感，M為線圈和金屬導體間的互感，隨兩者距離的減小而增大。

圖2 電感式接近傳感器等效電路

根據基爾霍夫電壓定律(KVL)：

(1)

由式(1)得

(2)

感應線圈受到金屬導體影響后的等效復阻抗為

(3)

式中，ω為振蕩角頻率,等效電阻和等效電感分別為：

(4)

感應線圈的品質因數Q為

(5)

由上述計算可知，感應線圈與金屬導體間距離的變化可以引起線圈的阻抗Z、電感L和品質因數Q的變化。因此，傳感器所用的轉化電路可以選用上述參數中的任何一個并將其轉換成電信號實現測量。

2 全金屬電感式接近傳感器設計

全金屬電感式接近傳感器包括傳感測量和信號處理兩部分，主要通過產品結構、線圈及磁路、彈簧、信號處理電路、環境適應性等幾方面進行設計研究。

2.1 傳感器結構設計

根據電感式接近傳感器在飛機上的工作環境要求，傳感器工作溫度通常為-55～150 ℃，這就要求感應頭采用全金屬材料密封。本研究設計的電感式接近傳感器結構剖視圖如圖3所示，主要包括金屬外殼、線圈組合、支撐環、彈簧、孔用彈性擋圈、絕緣套筒、信號處理電路板和后蓋等。線圈組合開口端緊貼于金屬外殼前端內表面，并使用彈簧以機械方式將其壓緊。絕緣套筒位于彈簧和彈性擋圈后端，中心開孔用于將線圈兩端連接的導線穿過，四周開有兩凹槽起到固定信號處理電路板的作用。當金屬導體遠離或接近傳感器時，感應線圈電感發生變化并將電信號傳遞至信號處理電路板，通過信號調制處理，將電感變換轉換為電壓或電流信號，芯片進而產生振蕩或非振蕩，以“高電平”或“低電平”形式輸出，即“0”或“1”輸出。

2.2 線圈及磁路設計

圖4為圖3中線圈組合放大結構剖視圖。線圈組合部分主要包括線圈、線圈骨架、磁芯、絕緣墊和調節螺釘等組成。由電感式接近傳感器的工作原理可知，感應線圈阻抗Z、電感L和品質因數Q等參數變化均可以反映測量距離的改變，因此線圈組合是電感式接近傳感器的核心關鍵部件。

圖3 傳感器結構剖視圖

圖4 線圈組合結構剖視圖

由于電感式接近傳感器采用全金屬密封外殼設計，會造成感應距離減小等問題。要保證全金屬外殼傳感器正常工作，需加大電渦流貫穿深度以保證感應線圈產生的交變磁場穿透密閉金屬。通常，電渦流貫穿深度h可通過式(6)計算得到：

(6)

線圈參數主要包括線圈匝數、線圈橫截面積、線圈直徑、線圈繞線直徑和線圈電阻等[14]。線圈匝數是影響電感的最主要的因素，匝數越多，輸出電感越大，接近和遠離的電感差值也就越大。線圈匝數主要受線圈繞線直徑和線圈電阻等因素限制，其可通過調整線圈繞線直徑來改變[15]。線圈繞線直徑越小，匝數越多，電阻也越大。因此，若規定感應線圈的電阻，線圈直徑和繞線直徑就可確定。結合Ansys電磁場仿真分析，為提高線圈的品質因數Q，線徑φ0.08～0.1 mm的聚酰亞胺漆包線包繞于繞線直徑φ5.8～6 mm的骨架350～450圈最為適宜。

2.3 彈簧設計

根據圓柱形螺旋彈簧彈性系數k的計算公式[16]：

(7)

式中，G為彈簧材料的切變模量；d為彈簧線徑；R為彈簧圈的平均半徑；n為彈簧的有效圈數。

又由牛頓第三定律，線圈組合受力與彈簧施力大小相當[17]：

F=ma=kx

(8)

式中，m為線圈組合的質量；a為傳感器可承受振動或沖擊的最大加速度值；x為彈簧的壓縮量。經計算得， 當設計傳感器可承受20g的振動量級時，彈簧線徑d=1.2 mm，彈簧圈平均直徑D=11.5 mm，彈簧有效圈數n=3。

2.4 信號處理電路設計

為實現傳感器小型化、集成化和批量化生產，以及便于信號處理電路板結構固定，電感式接近傳感器信號處理電路選擇專用的集成電感測量芯片LDC1612/1614，并圍繞該芯片進行必要的功能添加和溫度補償，設計電路原理圖如圖5所示。

圖5 傳感器信號處理電路原理圖

傳感器信號處理電路輸入端為4～28 V的直流電源，通過穩壓電路將電壓輸出轉換為3.3 V為MCU(微處理器)與LDC1612/1614電路供電。LDC1612/1614為雙通道(或4通道)28位電感數字轉換器，供電電壓2.7～3.6 V，可同時測量兩路(或4路)電感值，測量諧振頻率范圍1 kHz～10 MHz，該芯片內置時鐘，減小了外圍電路的尺寸和成本。芯片通過I2C與MCU進行通信，通過對該芯片寄存器的配置即可滿足使用需求。與此同時，電路中還使用STM8S003作為控制芯片，芯片內置時鐘并具有上電復位功能，可有效減小外部電路體積。該芯片的功能是實現與LDC1612/1614芯片的通信，對LDC1612/1614寄存器進行配置以及數據讀取，同時對測量數據進行進一步處理，將電感量值轉換為測量距離值，并根據需求，對距離進行判斷，最終輸出“0”或“1”信號。

2.5 環境適應性設計

本研究設計的電感式接近傳感器主要用于航空航天領域，工作環境溫度要求為-55～150 ℃。為保證傳感器穩定工作，在環境適應性方面進行了以下幾方面考慮：① 全金屬感應頭密封設計，金屬外殼材料選用物理性能好、電導率低、抗腐蝕性好且無磁性06Cr19Ni10不銹鋼材料，可用于沙塵和淋雨等惡劣環境；② 電路板電子元器件選用軍工級穩定器件，信號處理電路設置溫度補償，使傳感器的耐高低溫性能、耐振動和沖擊性能等顯著提高;③ 電路板直接選用LDC1612/1614集成化芯片并增加少量附加功能，易實現批量化生產和工程化應用。

3 實驗分析

通過前述設計，研制出的全金屬電感式接近傳感器最大外徑為16 mm，總長度≤48 mm；感應距離為4～6 mm；傳感器使用溫度范圍可達-55～150 ℃。產品外形如圖6所示。

圖6 傳感器外形圖

圖8為使用如圖7所示的測試設備測量后繪制得到的傳感器與金屬導體接近距離和輸出電感值之間的對應變化關系，傳感器供電電壓為直流28 V。當接近距離Ta<5 mm時，傳感器的電感值L>5 mH，通過信號處理電路板處理后產生振蕩，輸出高電平“1”；當接近距離Ta>5 mm時，傳感器電感值L<5 mH，信號處理電路板處理后不產生振蕩，輸出低電平“0”，從而實現到位測量功能。

圖7 傳感器測試設備

圖8 接近距離和輸出電感值對應變化關系

根據GJB150.15A、GJB150.16A、GJB150.18A、GJB150.3A、GJB150.4A、GJB150.5A和GJB150.9A要求，對本研究設計的全金屬電感式接近傳感器分別進行加速度、振動、沖擊、高溫、低溫、溫度沖擊和濕熱試驗等環境適應性驗證。將傳感器分別置于振動試驗臺、高低溫箱、濕熱箱中，并通過線纜連接導出至設備外，用示波器實時監測傳感器在臨界變化距離(5 mm)附近的信號輸出情況，如圖9所示。其中，高、低溫試驗測試溫度點除標準要求的-55 ℃和70 ℃外，增加了150 ℃溫度點測試；振動試驗除按照GJB150.16A-2009中7.3.1(程序I)進行外，還按照某型號飛機發動機實測譜嚴加考核。通過上述環境試驗，本研究設計的傳感器在-55～150 ℃工作環境溫度范圍及一定振動量級下信號輸出穩定，且改變金屬導體(靶標)位置均可實現“到位”功能的正確判斷，與市面上相同體積金屬感應頭傳感器相比探測距離(通常為2～3 mm)更遠。

4 結束語

本文設計出一種基于LDC1612/1614芯片的全金屬電感式接近傳感器。首先，通過理論研究明晰了電感式接近傳感器的工作原理，感應線圈與金屬導體間距離的變化可以引起線圈電感的變化，從而轉換成電壓或電流信號實現測量；然后，通過產品結構、線圈及磁路、彈簧、信號處理電路、環境適應性等幾方面設計突破傳感器感應距離短、環境適應性差、不易修復等關鍵技術難題，研制出一種基于LDC1612/1614芯片的全金屬電感式接近傳感器；通過性能和環境試驗驗證了傳感器的性能，傳感器結構小巧簡單、工作環境溫度范圍寬、穩定性好、感應距離長、重復定位精度高、可適當維修且易實現批量化生產，可應用于航空及軍工武器裝備系統，也可廣泛應用于民用和工業領域。

圖9 傳感器環境適應性驗證