現代工業中螺絲作為最主要的緊固件之一, 需求量很大, 對于不同的孔徑, 螺釘與螺帽的匹配問題尤為關鍵, 精密設備中微小差異都可能帶來傳動、電動裝置的系統問題, 因此鉆削和攻絲技術的發展已被迅速地提上議事日程。
最早的螺紋孔檢測是通過人工完成的, 即操作者將螺栓或量計旋入孔內進行檢測。然而, 人工方法因勞動強度大, 成本高等問題逐漸被自動化檢測法所代替。在此研究的一款即是利用先進傳感器而實現的對金屬螺孔的細微檢測。
1 電感式傳感器的基本概念
1. 1 基本結構及靈敏度
電感式傳感器的激勵元件由線圈和鐵氧體磁心組成( 見圖1) 。式( 1) 為電感式傳感器的數學模型。
式中: L 為電感量; N 為線圈的匝數; L 為氣隙導磁率;S 為氣隙截面積; D為氣隙厚度。
圖1 電感式傳感器的基本組成
由式( 1) 可知, 線圈電感量L 與氣隙厚度D成反比,與氣隙截面積S 成正比。假設起始位置的氣隙為D0 , 對應的初始電感為L0 , 且S 固定不變, 當D有細微變化為$D時, 引起自感量的變化量dL 為( 忽略高次項) :
1. 2 工作原理
電感式傳感器是建立在電磁場理論基礎上的, 是利用被測量磁路磁阻變化引起傳感器線圈自感或互感系數的變化, 從而導致線圈電感量變化來實現非電量測量。
當交流電流過線圈時, 線圈產生交變磁場, 該磁場通過鐵心并指向鐵心一側, 即傳感器的激勵端。當有金屬物體或磁性物體接近傳感器激勵端時會造成磁場變形。使用計算機模擬可獲得磁場狀態圖( 見圖2) 。從圖2 可以看出, 導電材料( 如鋼板) 接近激勵端時的磁場效應, 變化的磁場導致傳感器線圈的阻抗發生變化。集成在傳感器中的電路測出線圈阻抗的變化, 并轉換為開關信號輸出, 圖3 示出其檢測流程圖。
圖2 磁場狀態圖
圖2 磁場狀態圖
圖3 檢測流程圖
2 系統框圖設計
根據電感式傳感器的基本概念, 結合本文研究的內容及要求, 設計了基于電感式傳感器的自動檢測系統框圖, 如圖4 所示。
圖4 基于電感式傳感器的自動檢測系統框圖
3 硬件電路設計
設計中采用德國博世公司提供的實驗試件St37( 鋼40 mm 寬) 制成測量標記, 并作為標準被測材料, 當材料試件接觸傳感器時, 超聲波距離傳感器測量裝置將顯示一個參考值。通過改變試件與電感傳感器激勵端間的距離, 測定其輸出電流的大小, 用以確定該傳感器的可檢測范圍區域。模擬量式電感傳感器IA在確定阻尼板與傳感器之間距離的情況下, 輸出與傳感器之間距離成比例的模擬信號。
本文通過帶超聲波傳感器的信號調理電路與電流表顯示, 確定系統輸入信號與輸出信號之間的關系。由此得出模擬量輸出電感式傳感器的線性檢測區域。圖5為檢測接線圖( 紅色相連的為電源正極性等電位點, 藍色相連的為電源負極性等電位點)。
4 螺紋孔徑識別應用
電感式模擬量輸出傳感器的輸出模擬量電流值取決于傳感器與金屬被測物體之間的距離。對金屬板上不同直徑安裝螺孔的檢測是很重要的應用案例 , 如圖6 所示。
圖5 檢測連線圖
圖6 螺紋孔徑檢測應用案例
圖6 中以帶3 個安裝螺孔的鋁板( 80 mm @80 mm) 用作被測工件, 將鋁板安裝在非旋轉試件托架上, 并與支架導軌平行。高度補償器在距離導軌4 mm處, 與導軌平行安裝。電感器模擬量輸出傳感器安裝在高度補償器上。由于之前已確定模擬量式電感傳感器的線性測定范圍, 所以此時的電流表不在接于超聲波傳感器之上, 而接在電感式傳感器上。
將6 mm 圓孔對準傳感器中心, 同時將相鄰的12 mm圓孔置于傳感器的檢測范圍之外( 此要求也同樣適用于企業檢測時傳送帶上金屬材料之間的距離) 。依次將12 mm 與15 mm 的圓孔移動傳感器激勵端的中心位置處, 并確保相鄰的圓孔不會被檢測到。記錄測量電流值如表1 所示。
5 數據分析與處理
所測數據經擬合, 如圖7 所示。
由圖7 可見, 對于該款電感式模擬量輸出傳感器,在3 mm 到10 mm 范圍之間, 電流從0 mA 變化到25 mA, 且距離與電流成線性關系; 超出此范圍之外, 距離與電流成非線性關系, 在此范圍( 3~ 10 mm) 內, 電感式模擬量輸出傳感器不會產生遲滯。因此, 電感式模擬量輸出傳感器適用于對指定材料的距離進行測量。
圖7 模擬量式電感器電流路徑特性曲線擬合
6 結 語
模擬量式電感傳感器能夠提供一個與物體位移成比例的電流或電壓信號, 通過不同的測量電流或電壓測量值, 可以估算出圓孔直徑的大小。實際測量中, 側向精度與圓孔的直徑大小及材料有關, 如果圓孔的直徑越小, 模擬量式電感傳感器輸出的衰減越大, 檢測螺紋孔徑的微小差距就相對比較精確。當然, 對于圓孔材料,鋁材料的換算系數為0. 42, 而高級鋼換算系數為0. 72,鋁材料的換算系數相對較小, 因此使用高換算系數的材料會提高本款測試系統的靈敏度, 以便完成可靠的檢測和控制任務。