基于磁屏蔽的涡流式接近传感器的结构优化研究

陈强

（安康学院 科研处，陕西 安康 725000）

基于磁屏蔽的涡流式接近传感器的结构优化研究

陈强

（安康学院 科研处，陕西 安康 725000）

基于提高涡流式接近传感器性能的目的，本文采用在铁氧体磁芯的顶部添加帽型磁屏蔽片的方法，使主要的磁通经过铁芯和帽型磁屏蔽片而达到闭合，使磁路得到明显改善。本文从传感特性、磁通分布和涡流损耗等方面对传感器进行定量的电磁描述，经过有限元分析和实验验证，这一结构优化能使传感指数降低7.3%，有效提高接近传感器的性能。

接近传感器；涡流损耗；品质因数；磁屏蔽；结构优化

optimization

涡流式接近传感器是一种非接触传感装置，在被测导体中感生出涡流，涡流损失会导致检测线圈的电阻增加，以此反应被测导体与传感器的距离。作为一种常见的工业传感器，对其进行性能提高和设计优化，具有积极的现实意义[1-6]。

传统接近传感器的磁路主要由被测导体、铁芯以及两者间的空气构成，具有较大的磁损耗。相关研究表明，降低接近传感器中构成磁路的各个部件的磁损耗，有助于提高其工作性能。随着磁性材料的发展，低磁导率的磁性塑料被大量应用。磁性塑料的相对磁导率在5～100之间，低于传统的磁性材料[7-9]。本文通过在铁氧体磁芯的顶部添加一个由磁性塑料制成的帽型磁屏蔽片，使得传感器的主要磁通，经过铁芯和帽型磁屏蔽片达到闭合，从而降低达到被测导体的磁通量。

这一帽型磁屏蔽片所用的磁性塑料其相对磁导率为8，在进行有限元分析时，对材料的取值可以限制在2～40之间。文中针对接近传感器的各个部件，从传感特性、磁通分布和涡流损耗等方面进行定量的电磁描述，并进行了有限元分析和实验验证，对接近传感器的结构进行了有效的优化。

1 理论分析

传统的接近传感器由铁氧体磁芯、线圈和壳体构成，文中增加了一个由磁性塑料制成的磁屏蔽片。接近传感器的实物照片和增加了帽型磁屏蔽片之后的传感器结构示意图见图1所示。传感器各个组件的物理参数如表1所示，额定工作频率为350 kHz。

式中Qt—有被测导体时线圈的品质因数，

Q∞—无被测导体时线圈的品质因数。

ω—角频率

L—线圈的电感

R—线圈的电阻

在进行有限元计算时线圈的各个参数R、L、Q等可以通过式（5）～（7）进行计算。此外，在计算Q值时，除了直流电阻还要考虑高频电流所带来的附加电阻，其计算过程见见式（5）。

表1 各组件的物理参数

2 实验与验证

图1 接近传感器的结构

图2 Q的试验结果与计算结果

图3 R的计算结果

图4 L的计算结果

这一差异可以归结于被测导体中的涡流损耗，涡流损耗与被测导体表面的最大磁通密度的平方成正比。因此可以分别测试，被测导体表面和磁屏蔽片附近几处位置（Z=8，9，14.6 mm）的磁通密度的分布情况进行验证。测试位置示意图如图5所示，图中的磁通密度的最大值出现在r=3 mm处，这一位置对应线圈所在腔体的边界位置。由于屏蔽片的磁阻很小，因此磁通主要集中在铁芯和屏蔽片构成的磁路中。而检测线圈的电感不受屏蔽片的影响，其值的大小主要受和等效交流阻抗（涡流损失带来）的影响[13-15]。实验所采用的工作条件为恒压激励，与实际工作条件一致。其中，被测导体处的磁通密度B的分布如图6所示。

图5 磁通密度的测试位置

图6 被测导体处的磁通密度分布

3 结 论

文中提出了一种涡流式接近传感器的结构优化方法，通过在磁芯顶部添加由磁性塑料制成的帽型磁屏蔽片，使得接近传感器的主要磁通[17]，经由铁芯和帽型磁屏蔽片构成磁路达到闭合，使传感器的传感指数降低7.3%，感知特性明显增强。同时，这一结构改进也有利于增大涡流传感器的输出。实验结果表明，这一改进能够有效地提高涡流式接近传感器的工作性能，具有积极的现实意义。

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Structure optimization research of proximity sensor based on magnetic shielding

CHEN Qiang
（Department of Science and Technology，Ankang University，Ankang 725000，China）

Based on the purpose to improve the performance of turbo proximity sensor，this paper add the cap-shaped magnetic flux shield at the top of the ferrite core.The proposed sensorhas closed magnetic circuitthrough the core and cap magnetic shielding.Therefore，magnetic circuit is improved significantly.This paper quantitatively accounts the electromagnetisms of thesensor from sensing property，?ux distributions，and eddy-current loss in each part of the sensor.Through the finite element analysis and experimental validation，thisstructural optimization can reduce sensory index 7.3% ，effectively improve the performance of traditional proximity sensor.

proximity sensor；eddy current loss；coil quality factor；magnetic shielding；structure

TP212

：A

：1674-6236（2017）08-0065-03

2016-04-28稿件编号：201604275

安康学院2013年国家级大学生创新创业训练计划项目（201311397005）；安康学院2013年校级大学生创新创业训练计划项目（2013aku015）

陈 强（1983—），男，湖北黄冈人，实习研究员。研究方向：测控仪表、计算机系统集成。