電容電感式傳感器在現代工業生產中的應用

鐘火旺

（東莞理工學校，廣東 東莞 523470）

0 引 言

隨著現代科學技術的飛速發展，要求降低生產成本與提高人工待遇的矛盾越來越突出。為了解決這個矛盾，在政府相關政策的支持下，許多企業和工廠都在進行著相應的技術改造。提高產品檔次和產能規模、促進產業結構調整以及加速產業升級已成為企業發展的內在需求。而電容電感式傳感器在其中發揮了關鍵作用。引進的成套設備中使用了大量的傳感器，同時在企業中進行的許多小改進和小發明也應用到大量的電容電感式傳感器。

1 電容電感傳感器的類別及特點

電容電感傳感器的應用非常廣泛。但根據各自的特點，其應用場合又有區別。電容式傳感器可以分為變間距、變面積以及變介質幾種類型，可以用于多種被測材質。而電感式傳感器只能用于金屬被測物體。此外，電容傳感器需要確保被測環境沒有污染，如灰塵，油污以及水等。應為這些因素會改變介電常數，從而改變測量結果。而電感式傳感器對上述因素無感，可以放心用。另外雖然電容傳感器精度相對高些，但是測量頻率可能會稍低[1]。

1.1 電容傳感器

電容傳感器的檢測部件實際上是一個參數可變的電容器。多數情況下，電容器由兩個金屬平行板組成，以空氣為介質。其電容量為：

式中，ε為電容極板間介質的介電常數；A為兩平行板正對的面積；d為兩平行板之間的距離。當式（1）中的A、d或ε發生變化時，電容量C也隨之變化。電容傳感器分為3種類別。其中，第1種為變極距式傳感器。在實際使用中，電容式傳感器常以改變平行板間距d來進行測量，這樣獲得的測量靈敏度高于改變其他參數的電容傳感器的靈敏度，可以測量微米數量的位移。第2種為變面積式傳感器。若因外界因素導致傳感器出現線位移或角位移，使電極間的覆蓋面積A發生變化，而兩電極間的距離d和介電常數ε不發生變化時，會引起電容值的相對變化量，適用于測量厘米數量級的位移。第3種為變介電常數式傳感器。若因外界因素導致傳感器兩個極板間的介電常數ε發生變化，而兩電極間的距離d和覆蓋面積A不發生變化時，其測量結果往往與被測材質相關。

1.2 電感傳感器

電感傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量轉換成線圈自感或互感量的一種裝置，常用來測量位移。凡是能夠轉換成位移的參數都可以進行檢測，如力、壓力、振動、尺寸、轉速、計數測量以及零件裂紋等缺陷的無損探傷等。其具有結構簡單可靠、靈敏度和分辨率非常高、穩定、零點漂移小、測量線性好以及輸出功率大等特點。但也存在響應時間較長的缺點，因此不適合做要求較高的動態測量。其按工作原理可分為自感式和互感式兩大類。

1.2.1 自感式電感傳感器

為提高自感式傳感器的靈敏度，增大傳感器的線性工作范圍，實際應用中較多的是將兩個結構相同的自感線圈組合在一起形成差動式電感傳感器。采用差動式結構，除了可以改善非線性并提高靈敏度外，對電源電壓和頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用。作用在銜鐵上的電磁力，由于是兩個線圈磁通產生的電磁力之差，所以對電磁吸力有一定的補償作用，從而提高了測量的準確性。

1.2.2 互感式電感傳感器

這種傳感器中變壓器一次線圈輸入交流電壓，二次線圈則互感出電勢。由于該變壓器的二次線圈常接成差動形式，所以也稱為差動變壓器式傳感器。它可以測量1～100 mm的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單以及性能可靠等優點，因此應用廣泛。

2 電容電感式傳感器在現代工業生產中的應用

2.1 工件靠近檢測

使用電容接近式開關和電感接近式開關連接到LED，通過LED的亮滅指示是否檢測到被測物。當被檢測工件進入到傳感器的檢測范圍時，相應的指示燈點亮。常見的電容電感接近式開關多采用三線接法，工作電壓為10～30 V DC，應用時接于工業控制電源DC 24 V上。褐色線接電源“+”，藍色接“0 V”，黑色為信號輸出線。至于輸出高電平代表有檢測到物件還是低電平代表有檢測到物件取決于傳感器是PNP型還是NPN型。無論是電容傳感器還是電感傳感器都有一定的檢測距離，將被測物置于傳感器檢測范圍內，傳感器應該輸出正確的檢測信號。當被測物遠離至超出有效檢測距離時，輸出的檢測信號隨之復位。

2.1.1 安裝傳感器

傳感器的安裝位置如圖1所示。中間矩形物為被測工件，左右兩側分別安裝電容電感接近式開關。以被檢測物件尺寸做參考，令接近式開關與被測物之間的距離約為1～2 mm。由于電感接近式開關的檢測距離短，因此檢測時必須保證被測物在不與檢測器件發生碰撞的情況下盡量接近電感接近式開關。

圖1 傳感器安裝示意圖

2.1.2 連接電路

連接電路如圖2所示。電容電感接近式開關的引線共有3條，表皮顏色分別為棕、黑、藍。其中，棕色線用于連接電源，接直流穩壓電源DC 24 V的正極，藍色線接直流穩壓電源接地端，黑色線接輸出端。發光二極管串接一限流電阻接與電源正極與接近式開關的黑線之間。電感接近式開關接發光二極管D1，電容傳接近式開關的輸出線接發光二極管D2。D1和D2為指示燈，用于顯示兩傳感器的檢測結果。D1亮意味電感接近式開關檢測到金屬物件，D2亮表示電容接近式開關檢測到物件。

圖2 工件檢測電路圖

2.2 工件材料識別

組合使用電容電感接近式開關，在給定的金屬和塑料工件群里識別出哪些是金屬工件，哪些是塑料工件。檢測對象比較簡單，只有金屬和塑料兩種材質。這就意味著，只要其中一種能確定，另外一種也可以確定。恰好，金屬接近式開關能將金屬確定下來。如果將兩個接近式開關安裝于同一個監測點檢測同一個工件，根據如表1所示的上一個任務的檢測結果，反推可知，能讓兩個接近式開關接通的是金屬，只能讓電容接近式開關接通的就是塑料。

表1 檢測結果

工件識別電路如圖3所示，顯示部分由CD4011與非門和LED組成。CD4011的工作電源為DC 5 V，但是電感和電容接近式開關的工作電壓為DC 24 V，兩者不能共用電源。為連接傳感器與顯示電路，中間使用了U1和U2兩個光電耦合器。若電感接近式開關檢測到金屬工件，信號輸出端“黑”線為低電平，光電耦合器里的發光二極管被點亮，從而讓其輸出端的光電管導通，CD4011的第一組與非門1、2腳為低電平。1腳和2腳連接在一起時表示非門，3腳輸出高電平發光二極管D1點亮，表示當前工件為金屬。若被檢測工件是塑料，電容接近式開關輸出低電平，電感接近式開關輸出高電平，即CD4011的5腳和6腳為低電平，1腳、2腳以及8腳為高電平。結果就是當D1處于熄滅狀態，D2為點亮狀態時，工件是塑料[1]。

2.3 工件計數

整個系統的原理圖如圖4所示。機器要想知道已經裝進箱子多少件產品。首要的任務是感知產品的存在，因此需要傳感器。使用電容接近式開關、電感接近式開關以及CD4017計數器組成檢測系統。將給定的若干個金屬和塑料混合在一起的工件逐個通過由兩個接近式開關組成的檢測區，借助D1～D10和D11～D20兩組LED表示金屬和塑料工件的數量。被檢測物通過檢測區時，自遠而近的接近接近式開關，然后自近而遠的離開。此過程電容或電感接近式開關的輸出端產生一個脈沖信號以示檢測到一個被測物。只要被測物是單個且穩定地通過接近式開關的檢測區，那么脈沖的個數就是對應被測物的個數。將電容接近式開關和電感接近式開關構成一個共點檢測區檢測同一個工件時，傳感器輸出脈沖驅動光電耦合器，光電耦合器輸出端連接由CD4017組成的計數器。D11～D20顯示的是電容傳感器檢測的工件數C，D1～D10顯示的則是電感傳感器檢測的金屬工件數A，塑料工件的數量自然可以由C-A獲得。

3 結 論

電容電感式傳感器雖然應用非常廣泛，但由于其作用原理和類別的不同，所以具體的應用也會不同。使用時可以選擇電容傳感器、電感傳感器以及兩種傳感器組合而成的混合傳感器。在選用時需要在清楚所用傳感器所具有優點的基礎上，清楚它們所存在的不足，以便選擇出最合適的傳感器，從而達到預想的目標。電容式傳感器的主要缺點有輸出阻抗高、負載能力差、寄生電容影響大以及輸出特性非線性等。但隨著材料、工藝、電子技術特別是集成電路的高速發展，其優點將得到發揚而缺點會不斷得到克服。電感式傳感器的主要缺點是傳感器本身的頻率響應不高，不適于快速動態測量，且對激磁電源頻率和幅度的穩定度要求較高。此外，傳感器分辨力與測量范圍有關，測量范圍大，分辨力低，反之則高。

圖3 工件識別電路圖

圖4 工件檢測計數電路圖

在現代工業的生產中，電容電感傳感器的應用隨處可見，文中所舉的應用實例只是在其中應用的典型個例，對于相關從業者可以起到一個參考作用。在實際應用時，要根據實際情況和具體要求選擇傳感器，設計相應的應用電路，從而達到減員、增效、提質以及保安全的效果。