高靈敏度金屬分離器傳感器

關(guān)鍵詞：電渦流；磁感應(yīng)強(qiáng)度；金屬探測(cè)線圈，金屬分離器，分離器傳感器

高靈敏度金屬分離器傳感器：金屬分離器用于檢測(cè)和分離混在原料中的金屬雜質(zhì)
（包括鐵類和非鐵類如銅，鋁，不銹鋼等），即使小至０．３ｍｍ３
的金屬粒子，都可被檢測(cè)并分離出來。廣泛應(yīng)用于化工、橡膠、制塑、食品加工等行業(yè)中。
傳統(tǒng)傳感探頭內(nèi)部分布著三組線圈，如圖１所示，即中央發(fā)射線圈和兩個(gè)對(duì)等的接收線圈，通過中間的發(fā)射線圈所連接的振蕩器來產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，空閑狀態(tài)時(shí)兩側(cè)接收線圈的感應(yīng)電壓在磁場(chǎng)未受擾動(dòng)前相互抵消而達(dá)到平衡狀態(tài)。一旦金屬雜質(zhì)進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域，磁場(chǎng)被擾動(dòng)，兩個(gè)接收線圈的感應(yīng)電壓就無法抵消，未被抵消的感應(yīng)電壓經(jīng)由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大濾波處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)可以利用該報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)剔除裝置等，從而把金屬雜質(zhì)排除生產(chǎn)線以外
高靈敏度金屬分離器傳感器這種檢測(cè)器制作工藝比較復(fù)雜、靈敏度不高，本文根
據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)提出新型傳感器的方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，綜合線圈電壓變化檢測(cè)原理提高檢測(cè)精度。
傳感探頭工作原理傳感探頭分析與設(shè)計(jì)
影響檢測(cè)精度主要有三個(gè)方面［１］
：渦流效應(yīng)、檢測(cè)頻率、線圈介質(zhì)變化。２．１ 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖２所示。傳感器結(jié)構(gòu)主要由３部分組成：內(nèi)筒、線圈、鐵氧體。內(nèi)筒材料為高頻聚丙烯，在內(nèi)筒外表面中間位置設(shè)有一凹槽。凹槽內(nèi)繞有探測(cè)線圈，線圈材料為多股高頻絲包線，可去除集膚效應(yīng)的影響。凹槽外表面固定有軟磁鎳鋅鐵氧體材料組成的導(dǎo)磁層，其電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率超過金屬、合金等磁性材料，能更好的聚集交變磁場(chǎng)中的磁
力線，產(chǎn)生更強(qiáng)的感應(yīng)信號(hào)
金屬探測(cè)器基于電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬物質(zhì)靠近線圈時(shí)由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流，吸收振蕩回路的能量，使振蕩器失諧，產(chǎn)生變化的感應(yīng)電壓。當(dāng)線圈里沒有金屬通過時(shí)，傳感器工作于并聯(lián)ＬＣ諧振狀態(tài)，當(dāng)線圈里有金屬通過時(shí)，ＬＣ回路失諧，線圈兩端的電壓發(fā)生變化，根據(jù)產(chǎn)生的電壓信號(hào)即可判斷出金屬雜質(zhì)的存在
２ 渦流效應(yīng)
若將一個(gè)金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體就會(huì)感應(yīng)而產(chǎn)生渦流。渦電流的產(chǎn)生使得金屬發(fā)熱引起能量損耗，這種能量損耗叫做渦流損耗。

高靈敏度金屬分離器傳感器渦流損耗可根據(jù)下列公式求?。郏保?br> ：                             （１） 式中：Wx為損耗因子，fm為信號(hào)頻率，Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值。 渦流損耗和交變信號(hào)頻率的平方成正比。增加信號(hào)頻率可使線圈在有金屬時(shí)，渦流損耗顯著增強(qiáng)，使線圈的等效電阻會(huì)有較大幅度的增加。２．３ 檢測(cè)頻率與介質(zhì)分析 根據(jù)渦流損耗公式（１）得知頻率的大小直接影響分 離器的工作性能［３］ ，金屬檢測(cè)器的**性和可靠性取決于高頻振蕩器的頻率穩(wěn)定度，一般使用８０ｋＨｚ到８００ｋＨｚ的工作頻率。工作頻率越低，對(duì)鐵的檢測(cè)性能越好；工作頻率越高，對(duì)高碳鋼的檢測(cè)性能越好。傳感器感應(yīng)信號(hào)大小取決于金屬粒子尺寸和導(dǎo)電性能。 當(dāng)鐵磁性物質(zhì)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率增大。如圖３所知，半徑為Ｒ的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過交變電流I=Imcosωt時(shí)，線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算出線圈中心軸線上Ｐ一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ為［２］
：                           （２） 其中，μｒ?yàn)橄鄬?duì)磁導(dǎo)率，μ０為真空磁導(dǎo)率。由公式（２）可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無金屬物時(shí)，μｒ＝１（非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率），線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ保持不變，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，由于鐵磁性金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率μｒ＞１，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ也會(huì)隨μｒ的增大而增大。由此可見，金屬的出現(xiàn)會(huì)使介質(zhì)的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起線圈周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。另一方面，置于該交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自行閉合的渦電流，渦流要產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，與外磁場(chǎng)方向相反。會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化。金屬的電導(dǎo)率σ越大，線圈中通過的交變電流的頻率ω大，則渦電流強(qiáng)度就越大，對(duì) 磁場(chǎng)能量的吸收作用越強(qiáng)［５］ 。 通過以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化，還是金屬的渦流效應(yīng)
均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ的變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
實(shí)驗(yàn)用直徑為２ｍｍ的球形金屬粒子來檢測(cè)線圈，采用安捷倫ＭＳＯ６０５４Ａ高精度示波器測(cè)得線圈頻率為２６８Ｋ（ＬＣ臨界振蕩頻率），如圖４、５所示。當(dāng)金屬粒子放入線圈中時(shí)可
以明顯看出有９．０ｍｖ的變化量，如圖６所示。檢測(cè)的變化量經(jīng)高放、相敏檢波、低放、電壓比較、抑制短脈沖干擾后，再由高精度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實(shí)時(shí)存入單片機(jī)的ＲＡＭ內(nèi)處理，*后使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而檢出混有金屬雜質(zhì)的物體結(jié) 論目前已在注塑成型企業(yè)中投入使用，取得了較好的效果，可進(jìn)一步在橡膠、食品加工等行業(yè)推廣使用。
分析了金屬分離器的工作原理，并給出所設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)以及基本參數(shù)，根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種新型傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)較強(qiáng)、靈敏度高。