電感傳感器在自動化生產線的應用

黃勇超，鄧發云

電感傳感器在自動化生產線的應用

黃勇超，鄧發云

(廣州南洋理工職業學院智能工程學院，廣東 廣州 510900)

電感傳感器由振蕩器、開關電路及放大輸出電路三大部分組成，利用電渦流效應檢測金屬工件，并通過黑色信號線為PLC模塊提供控制信號。PLC模塊分為源型和漏型兩種接入方式，電感傳感器分為NPN和PNP兩大類型，自動化生產線選用的電感傳感器類型由PLC模塊接入方式決定。由于導致電感傳感器檢測故障的原因通常為檢測距離太遠，因此首先應對檢測距離給予關注。

電感傳感器；自動化生產線；檢測

傳感器技術和通信技術、計算機技術構成了工業4.0時代信息社會的三大支柱。隨著物聯網在工業領域的廣泛應用，傳感器在工業領域扮演的角色將越來越重要。傳感器技術是應用于自動測控系統重要的基礎技術，利用傳感器在自動化生產線中感知各種工件，能將其“感受”到的工件信息變換成為電信號[1]，為自動化生產線各工序之間的協調工作保駕護航。

在自動化生產線中用于區分金屬與非金屬材質的傳感器通常是電感傳感器。由于采用非接觸式的檢測方式，因此電感傳感器具有響應可靠、快速、使用壽命長的特點。

1　電渦流效應對線圈阻抗的影響

如將板狀金屬導體置于交變的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動，則會在該板狀金屬表面產生旋渦狀感應電流。該電流稱為電渦流，簡稱渦流。這種因置于交變磁場或切割磁力線而導致金屬導體內產生電渦流的現象稱為電渦流效應。

電流增大時的電渦流效應如圖1所示。如線圈1的電流1為順時針方向的電流，則當電流1增大時，用右手螺旋定則判定線圈1的磁場方向，板狀金屬2所處位置的磁場強度不斷增強。板狀金屬2按照等磁場強度的原則切割磁力線，切割磁力線的方向為沿切線向外的方向，根據右手定則，可以判定感應電流即渦流2的方向為逆時針方向。用右手螺旋定則判定因電渦流2而產生的交變磁場方向。由于2的反作用一定會削弱1，使線圈的電感減小，且等效阻抗與電感成正比，因此等效阻抗將減小。若金屬板離線圈距離減小，則渦電流產生磁場2的作用增強，線圈等效阻抗減小，線圈電流增大；反之，若距離增大，則線圈電流減小。通過電流表可觀察電流的變化情況。

圖1　電流增大時的電渦流效應

2　電感傳感器的工作原理

電感傳感器又稱電感接近開關。工作時，電磁振蕩線圈位于檢測頭前端，利用電渦流效應檢測金屬工件。電感傳感器由振蕩器、開關電路及放大輸出電路三大部分組成。電感傳感器的內部電路[2]如圖2(a)所示，接通電源后，LC振蕩器產生高頻振蕩信號，通過電感線圈向外界發出一個交變磁場。電感傳感器的檢測過程如圖2(b)所示，當沒有金屬靠近時，LC振蕩回路振幅等幅變化，即沒有輸出信號。當有金屬接近并達到感應距離時，由于LC等幅振蕩回路產生變化的高頻磁場在金屬表面形成電渦流效應，同時板狀金屬表面的電渦流感應出反向磁場，因此兩個磁場的疊加使LC振蕩的幅值和頻率減小。振蕩器從振蕩到停振的變化被后級電路處理并轉換成開關信號。經過整形和放大后，該信號被輸入PLC模塊的輸入側，以觸發PLC模塊程序并實現非接觸檢測。

圖2　電感傳感器的工作原理

3　電感傳感器與PLC模塊的接入關系

電感傳感器是三線開關，棕色線接電源正極(24V)，藍色線接電源負極(0V)，黑色線接PLC模塊輸入側信號端(x*)。

根據輸出方式不同，將電感傳感器分為NPN型和PNP型兩類傳感器。PLC模塊也有共陰極端的漏型和共陽極端的源型兩類接入方式，在自動化生產線中使用的電感傳感器類型應與PLC模塊接入方式的匹配。以三菱FX3U為例，PLC模塊接入方式與電感傳感器類型如圖3所示。

PLC模塊漏型接入連接NPN型電感傳感器如圖3(a)所示，將S/S端接入直流電源DC的正極24V，COM端(共陰極公共端)接入直流電源DC的負極0V。PLC模塊輸入端x*接入NPN型電感傳感器的NPN管集電極。電流從S/S端流入，從X*流出(電流流出為“漏”)。在電感傳感器斷開時，若信號線與零線間的電壓是24V，則可判斷PLC模塊外接的是NPN型電感傳感器。

圖3　PLC模塊接入方式與電感傳感器類型

三菱FX3N的源型接入與漏型接入相反。PLC模塊源型接入連接PNP型電感傳感器如圖3(b)所示，將S/S端接入直流電源DC的負極0V，COM端(共陽極公共端)接入直流電源DC的正極24V。將PLC模塊輸入端X*接入PNP型電感傳感器的PNP管集電極，電流從X*流入(電流輸入為“源”)，從S/S端流出。在電感傳感器斷開時，若信號線與零線間的電壓是0V，則可判斷PLC模塊外接的是PNP型電感傳感器。

4　電感傳感器的檢測故障

電感傳感器的工作原理是利用電渦流效應檢測工件。由于檢測頭輸出的高頻振蕩電磁場較弱，且作用距離較短，因此通常會出現電感傳感器檢測不到工件的現象。通過調整電感傳感器的檢測距離可消除這種故障，一般將檢測距離控制在2mm以內[3]。

如果調整檢測距離以后仍未排除故障，則可用萬用表檢測電路接線是否因松動而導致接觸不良；如果確認檢測距離適宜且線路接觸良好仍未排除故障，則應更換電感傳感器。一般來說，電感傳感器不易損壞，只需要將檢測距離調整在檢測范圍內即可[4-7]。

5　結論

電感傳感器的工作原理是利用電渦流效應對一定范圍內的金屬工件進行檢測。電感傳感器的接線方式為三線制接線，在檢測頭有一個高頻振蕩電路。當金屬工件使其減振時，振幅減小，接通開關電路并將信號放大后輸出給PLC模塊，為PLC模塊控制提供依據。PLC模塊有漏型接入和源型接入兩種方式，電感傳感器有NPN和PNP兩大類型。由PLC模塊接入方式決定所用電感傳感器的類型。當電感傳感器出現故障時，應首先考慮檢測距離是否合適，再考慮電路接線是否松動，如果故障仍未排除，那么應該更換電感傳感器。

[1] 李思銳.淺析傳感器在自動化生產線實訓設備中的應用[J].時代農機,2018,45(8):216.

[2] 韓琳,邵忠良.可編程序控制系統設計師:S7-1200系列自動線教程[M].廣州:華南理工大學出版社,2014.

[3] 李文濤,王德志.自動化生產線常見故障分析及處理[J].包頭職業技術學院學報,2011,12(3):10-11.

[4] 王大朋,宋春麗.磁軸承用電感式位移傳感器的研究[J].傳感器與微系統,2020,39(7):28-30.

[5] 趙旭升,鄧智泉,梅磊,等.永磁偏置磁軸承在線監測系統的研制[J].微特電機,2006,34(12):7-9.

[6] 王軍,徐龍祥.無傳感器磁軸承轉子位置自檢測原理研究[J].傳感器世界,2004,10(11):22-24,21.

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Application of the inductance sensor in theautomatic production line

HUANG Yongchao, DENG Fayun

(School of Intelligent Engineering, Guangzhou Nanyang Polytechnic Vocational College, Guangzhou, Guangdong 510900, China)

The inductance sensor is composed of an oscillator, switching circuit, and amplifying output circuit, which uses eddy current effect to detect metal workpiece, and provides a control signal for the PLC module through a black signal line. There are two access modes of the active type and the leakage type for the PLC module. The inductance sensor is divided into NPN and PNP two types. The inductance sensor of the automatic production line was selected by the PLC module. The detecting fault of the inductance sensor is usually caused by detecting distance too far. Therefore, the detection distance should be paid attention to first.

inductance transducer; automatic production line; detection

TP212；TP278

A

2096–8736(2021)05–0040–03

2021年度校級科研項目：基于三菱PLC模塊軟件的自動化生產線控制系統應用技術研究。

黃勇超(1968—)，男，四川南充人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電路分析技術、傳感器技術、電子技術等。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立