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作者:黃宗正(2001-03-09);推薦:徐業良(2001-03-12)
附註:本文為最佳化設計實驗室之感測器使用說明文件,內容包含感測器之原理介紹、裝置諸元與使用方法。

924型位移感測器使用說明

1. 位移感測器簡介

自動化機器或製程中,常需要以位移感測器感測物體距離遠近或存在與否,例如於輸送帶上計算物品通過之數量,又或者是必須測量工件與加工機器之間的距離以取得數據資料進行控制等等。依感測方式而言,位移感測器可被區分為接觸型與非接觸型兩種,一般來說,接觸型位移感測器有動作單純、電路設計簡單等優點,但因為感測時必須與物件直接接觸,久而久之便會因接觸部分金屬疲勞而出現變形、斷裂、接觸不良等結構損壞情形,再者亦有一些物件本身便不適合以直接接觸的方法進行感測,例如質輕、脆弱、昂貴之物品,又或者是液體,此時便需以非接觸型位移感測器來進行量測。

對於接觸式位移感測器而言,被感測物的位移、運動或位置是經由一感測軸所感應得到,此一感測軸與被感測物間作機械性的耦合,並透過此軸將被感測物運動量傳送至後續轉換元件,以將運動量轉換為電訊號輸出。而非接觸式位移感測器通常利用磁變量或光學原理測量某一物體之位移或位置。位移感測器主要有電阻式、電容式、磁阻變化式與電感式四種,分別簡介如下。

1.1 電阻式位移感測器

線性式或旋轉式可變電阻常被應用於許多民生用品中,如音響的音量控制旋鈕、電腦電視的類比式畫面調整鈕等等,都是使用可變電阻來進行控制,其實可變電阻亦可作為位置感測之工具。可變電阻又稱為電位計,其原理可以圖1來說明,一滑動物體沿著覆有電阻材質的路徑移動,滑動物之電壓輸出將與滑動物所在位置電阻值呈一定比例。圖2為本實驗室所使用之線性電阻尺,即是常用的電阻式位移感測器。

1. 電位計工作原理示意圖

2. 線性電阻尺

1.2 電容式位移感測器

電容式位移感測器之構造如圖3,包含一對固定電極,並有一絕緣介質構成之移動物在電極間移動,此移動物體一端與感測軸連接,當移動物於電極間位置產生變化時,在兩電極間以絕緣移動物體作介質之區域會隨之增加或減少,而使得整體電容量隨之改變,因此由電容量變化可間接推算出移動物或被感測物之運動量或位置變化。

3. 電容式位移感測器構造示意圖

非接觸式電容式位移感測器於使用時,需將系統週邊之電容量,例如連接感測器與訊號處理裝置間之電容量減低至最小,並且使此類雜散的電容量保持固定值,以免影響感測結果。除此之外,亦要注意感測器感測電極的邊緣效應與避免不必要的運動工作。

1.3 磁阻變化式位移感測器

此類感測器利用磁性材料的磁阻變化感測位移之改變,通常感測器內部有超過兩組以上的線圈,位移變化會被轉化為線圈的磁阻變化。此類感測器中最常見的是LVDT(線性差動變壓器),其構造如圖4,因具有靈敏度高、精確度高、體積小、質量輕,與耐用等優點,且沒有溫、溼度之限制,故常被應用於許多工業品管的場合中,其作用原理與變壓器類似,讓導磁磁蕊在線圈中移動進而改變線圈電壓感應量,其電訊號輸出量正比於可動磁蕊的位置。

4. LVDT結構示意圖

1.4 電感式位移感測器

電感式位移感測器亦有接觸式與非接觸式兩種,接觸式之原理是採用一可滑動永久磁蕊於固定線圈內部運動以使電感產生變化,再透過線圈與LC震盪電路相連,當線圈電感量改變時會使震盪電路輸出頻率產生對應變化;或者將線圈製作成電橋電路之一臂,利用電橋電路測量電感變化而改變電壓輸出。而非接觸式的電感式位移感測器用途較接觸式來得更廣,以下所要介紹的924AB4XM-L2P型位移感測器便屬於非接觸型位移感測元件。

2. 924AB4XM-L2P型位移感測器

2.1 工作原理與性能規格

5924AB4XM-L2P型位移感測器外觀構造,此類位移感測器又可稱為近接開關,其原理如圖6所表示,是利用內部LC及電晶體電路產生震盪以使感測器前端產生高頻電磁場,當有導磁或抗磁金屬接近線圈前端平面時,會使感應線圈內之磁渦流產生變化而改變震盪電路輸出電壓,可藉由此輸出電壓之改變對應出物件有無或距離遠近。因其必須透過電磁效應感測,故此型感測器所能感測的物件必須為具有導磁性金屬物體,並且因為震盪線圈周圍的磁力線範圍會受到周遭物體所影響,故若在檢測物體附近有其他磁性物體或其他近接開關時容易產生感測誤差,於配置時應注意並避免此類情況發生。表1列出924AB4XM-L2P型近接開關之性能規格。

5. 924AB4XM-L2P型位移感測器外觀

6. 電磁式近接開關的感測電路示意圖

1. 924AB4XM-L2P性能規格

924AB4XM-L2P

有效感測距離範圍

4.5 ~ 9.5mm

電源輸入

13.5 ~ 30 Vdc

重複性

±0.03mm

靈敏度

1.6V/mm

線性度

0.25Vdc, between19Vdc

訊號輸出

0.2 ~ 10 Vdc

輸出電壓線性範圍

1 ~ 9 Vdc

最大電流消耗

12 mA at 30 Vdc

操作溫度範圍

0 ~ 60

感測表面材質

Ceramic

結構包覆材質

Anodized aluminum

2.2 使用說明

924AB4XM-L2P型位移感測器配線方式可參照圖7,近接開關後端有一以PVC材質包覆之導線,其中包覆有三條分別為褐色、藍色、黑色之金屬導線,分別為電源輸入線+(Brown)、接地線也是電源輸入線-(Blue)以及訊號輸出線(Black),僅需將外部電源搭接其電源輸入線,再將訊號輸出線接上訊號處理裝置(Load)如電表、示波器或類比數位資料轉換器(A/D Converter),即可得到距離與輸出電壓之線性關係。

7. 近接開關之線路配接圖

924AB4XM-L2P型近接開關已內建整流、線性化與訊號放大電路,故不需再另外設計搭配整流或放大電路,僅需輸入約15Vdc之工作電壓(其工作電壓範圍於13.530Vdc之間),便可隨物體與感測器間距離遠近產生0.210Vdc的電壓輸出,其中19Vdc的電壓輸出範圍內,感測器輸出電壓與物件間距離呈線性關係,可由感測器輸出電壓值計算出物件至感測器偵測表面之距離。圖8924AB4XM-L2P型近接開關輸出電壓與感測距離間之關係圖。

8. 感測距離與輸出電壓關係圖

9表示出數個近接開關搭配使用時各近接開關間之相對位置關係,為了避免各個近接開關間磁力線範圍互相衝突,造成訊號的干擾或是錯誤動作,必須注意感測器配置時各近接開關間之相對距離。圖中d1代表近接開關前端感測部分之直徑,兩個並列安裝的近接開關之間,必須相隔大於3d1之距離;而Sn表示近接開關可感測距離範圍中間值,此值介於感測距離最大值Smax與感測距離最小值Smin之間,以924AB4XM-L2P型近接開關為例,其感測距離最大值為9.5mm、最小值為4.5mm,則其Sn值為7mm,故兩近接開關若要以成對、前端對前端之方式放置時,其前端感測平面間必須要相隔大於四倍Sn之距離,亦即需要相隔28mm,才不會對感測結果造成影響。

9. 數個近接開關搭配使用時相對位置關係圖

參考文獻

Inductive Proximity Switches and Sensors, Catalogue E20, Honeywell Inc., 1997, p.3-6, p.41-42.

感測與轉換,吳朗,全欣資訊圖書,813月。

感測器,陳瑞和,全華圖書,821月。