高靈敏度金屬分離器傳感器

關鍵詞：電渦流；磁感應強度；金屬探測線圈，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和分離混在原料中的金屬雜質
（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，都可被檢測并分離出來。廣泛應用于化工、橡膠、制塑、食品加工等行業中。
傳統傳感探頭內部分布著三組線圈，如圖１所示，即中央發射線圈和兩個對等的接收線圈，通過中間的發射線圈所連接的振蕩器來產生高頻交變磁場，空閑狀態時兩側接收線圈的感應電壓在磁場未受擾動前相互抵消而達到平衡狀態。一旦金屬雜質進入磁場區域，磁場被擾動，兩個接收線圈的感應電壓就無法抵消，未被抵消的感應電壓經由信號處理電路進行放大濾波處理，并進行數據采集。系統可以利用該報警信號驅動自動剔除裝置等，從而把金屬雜質排除生產線以外
高靈敏度金屬分離器傳感器這種檢測器制作工藝比較復雜、靈敏度不高，本文根
據現有的技術提出新型傳感器的方案，結構簡單，綜合線圈電壓變化檢測原理提高檢測精度。
傳感探頭工作原理傳感探頭分析與設計
影響檢測精度主要有三個方面［１］
：渦流效應、檢測頻率、線圈介質變化。２．１ 結構設計
如圖２所示。傳感器結構主要由３部分組成：內筒、線圈、鐵氧體。內筒材料為高頻聚丙烯，在內筒外表面中間位置設有一凹槽。凹槽內繞有探測線圈，線圈材料為多股高頻絲包線，可去除集膚效應的影響。凹槽外表面固定有軟磁鎳鋅鐵氧體材料組成的導磁層，其電導率與磁導率超過金屬、合金等磁性材料，能更好的聚集交變磁場中的磁
力線，產生更強的感應信號
金屬探測器基于電磁感應原理，當金屬物質靠近線圈時由于電磁感應現象，會在金屬導體中產生電渦流，吸收振蕩回路的能量，使振蕩器失諧，產生變化的感應電壓。當線圈里沒有金屬通過時，傳感器工作于并聯ＬＣ諧振狀態，當線圈里有金屬通過時，ＬＣ回路失諧，線圈兩端的電壓發生變化，根據產生的電壓信號即可判斷出金屬雜質的存在
２ 渦流效應
若將一個金屬導體置于變化的磁場中，導體就會感應而產生渦流。渦電流的產生使得金屬發熱引起能量損耗，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下列公式求取［１］
：                             （１） 式中：Wx為損耗因子，fm為信號頻率，Bm為磁感應強度幅值。 渦流損耗和交變信號頻率的平方成正比。增加信號頻率可使線圈在有金屬時，渦流損耗顯著增強，使線圈的等效電阻會有較大幅度的增加。２．３ 檢測頻率與介質分析 根據渦流損耗公式（１）得知頻率的大小直接影響分 離器的工作性能［３］ ，金屬檢測器的**性和可靠性取決于高頻振蕩器的頻率穩定度，一般使用８０ｋＨｚ到８００ｋＨｚ的工作頻率。工作頻率越低，對鐵的檢測性能越好；工作頻率越高，對高碳鋼的檢測性能越好。傳感器感應信號大小取決于金屬粒子尺寸和導電性能。 當鐵磁性物質接近線圈時，線圈間介質磁導率增大。如圖３所知，半徑為Ｒ的單匝圓形電感線圈，當其中通過交變電流I=Imcosωt時，線圈周圍空間會產生交變磁場，根據畢奧一薩伐爾定律可計算出線圈中心軸線上Ｐ一點的磁感應強度Ｂ為［２］
：                           （２） 其中，μｒ為相對磁導率，μ０為真空磁導率。由公式（２）可知，當線圈有效探測范圍內無金屬物時，μｒ＝１（非金屬的相對磁導率），線圈中心磁感應強度Ｂ保持不變，當線圈有效探測范圍內出現鐵磁性金屬物時，由于鐵磁性金屬的相對磁導率μｒ＞１，所以，磁感應強度Ｂ也會隨μｒ的增大而增大。由此可見，金屬的出現會使介質的磁導率發生變化，從而引起線圈周圍的磁感應強度變化。另一方面，置于該交變磁場中的金屬導體內會產生自行閉合的渦電流，渦流要產生附加的磁場，與外磁場方向相反。會削弱線圈磁場的變化。金屬的電導率σ越大，線圈中通過的交變電流的頻率ω大，則渦電流強度就越大，對 磁場能量的吸收作用越強［５］ 。 通過以上分析可知，當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，無論是介質磁導率的變化，還是金屬的渦流效應
均能引起磁感應強度Ｂ的變化實驗結果與分析
實驗用直徑為２ｍｍ的球形金屬粒子來檢測線圈，采用安捷倫ＭＳＯ６０５４Ａ高精度示波器測得線圈頻率為２６８Ｋ（ＬＣ臨界振蕩頻率），如圖４、５所示。當金屬粒子放入線圈中時可
以明顯看出有９．０ｍｖ的變化量，如圖６所示。檢測的變化量經高放、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轉換器轉換成數字量實時存入單片機的ＲＡＭ內處理，*后使執行機構動作，從而檢出混有金屬雜質的物體結 論目前已在注塑成型企業中投入使用，取得了較好的效果，可進一步在橡膠、食品加工等行業推廣使用。
分析了金屬分離器的工作原理，并給出所設計傳感器的結構以及基本參數，根據理論分析和實驗結果，這種新型傳感器結構簡單、信號較強、靈敏度高。