高灵敏度金属分离器传感器

关键词：电涡流；磁感应强度；金属探测线圈，金属分离器，分离器传感器

高灵敏度金属分离器传感器：金属分离器用于检测和分离混在原料中的金属杂质
（包括铁类和非铁类如铜，铝，不锈钢等），即使小至０．３ｍｍ３
的金属粒子，都可被检测并分离出来。广泛应用于化工、橡胶、制塑、食品加工等行业中。
传统传感探头内部分布着三组线圈，如图１所示，即中央发射线圈和两个对等的接收线圈，通过中间的发射线圈所连接的振荡器来产生高频交变磁场，空闲状态时两侧接收线圈的感应电压在磁场未受扰动前相互抵消而达到平衡状态。一旦金属杂质进入磁场区域，磁场被扰动，两个接收线圈的感应电压就无法抵消，未被抵消的感应电压经由信号处理电路进行放大滤波处理，并进行数据采集。系统可以利用该报警信号驱动自动剔除装置等，从而把金属杂质排除生产线以外
高灵敏度金属分离器传感器这种检测器制作工艺比较复杂、灵敏度不高，本文根
据现有的技术提出新型传感器的方案，结构简单，综合线圈电压变化检测原理提高检测精度。
传感探头工作原理传感探头分析与设计
影响检测精度主要有三个方面［１］
：涡流效应、检测频率、线圈介质变化。２．１ 结构设计
如图２所示。传感器结构主要由３部分组成：内筒、线圈、铁氧体。内筒材料为高频聚丙烯，在内筒外表面中间位置设有一凹槽。凹槽内绕有探测线圈，线圈材料为多股高频丝包线，可去除集肤效应的影响。凹槽外表面固定有软磁镍锌铁氧体材料组成的导磁层，其电导率与磁导率超过金属、合金等磁性材料，能更好的聚集交变磁场中的磁
力线，产生更强的感应信号
金属探测器基于电磁感应原理，当金属物质靠近线圈时由于电磁感应现象，会在金属导体中产生电涡流，吸收振荡回路的能量，使振荡器失谐，产生变化的感应电压。当线圈里没有金属通过时，传感器工作于并联ＬＣ谐振状态，当线圈里有金属通过时，ＬＣ回路失谐，线圈两端的电压发生变化，根据产生的电压信号即可判断出金属杂质的存在
２ 涡流效应
若将一个金属导体置于变化的磁场中，导体就会感应而产生涡流。涡电流的产生使得金属发热引起能量损耗，这种能量损耗叫做涡流损耗。

高灵敏度金属分离器传感器涡流损耗可根据下列公式求取［１］
：                             （１） 式中：Wx为损耗因子，fm为信号频率，Bm为磁感应强度幅值。 涡流损耗和交变信号频率的平方成正比。增加信号频率可使线圈在有金属时，涡流损耗显著增强，使线圈的等效电阻会有较大幅度的增加。２．３ 检测频率与介质分析 根据涡流损耗公式（１）得知频率的大小直接影响分 离器的工作性能［３］ ，金属检测器的**性和可靠性取决于高频振荡器的频率稳定度，一般使用８０ｋＨｚ到８００ｋＨｚ的工作频率。工作频率越低，对铁的检测性能越好；工作频率越高，对高碳钢的检测性能越好。传感器感应信号大小取决于金属粒子尺寸和导电性能。 当铁磁性物质接近线圈时，线圈间介质磁导率增大。如图３所知，半径为Ｒ的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流I=Imcosωt时，线圈周围空间会产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上Ｐ一点的磁感应强度Ｂ为［２］
：                           （２） 其中，μｒ为相对磁导率，μ０为真空磁导率。由公式（２）可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，μｒ＝１（非金属的相对磁导率），线圈中心磁感应强度Ｂ保持不变，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，由于铁磁性金属的相对磁导率μｒ＞１，所以，磁感应强度Ｂ也会随μｒ的增大而增大。由此可见，金属的出现会使介质的磁导率发生变化，从而引起线圈周围的磁感应强度变化。另一方面，置于该交变磁场中的金属导体内会产生自行闭合的涡电流，涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反。会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率σ越大，线圈中通过的交变电流的频率ω大，则涡电流强度就越大，对 磁场能量的吸收作用越强［５］ 。 通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应
均能引起磁感应强度Ｂ的变化实验结果与分析
实验用直径为２ｍｍ的球形金属粒子来检测线圈，采用安捷伦ＭＳＯ６０５４Ａ高精度示波器测得线圈频率为２６８Ｋ（ＬＣ临界振荡频率），如图４、５所示。当金属粒子放入线圈中时可
以明显看出有９．０ｍｖ的变化量，如图６所示。检测的变化量经高放、相敏检波、低放、电压比较、抑制短脉冲干扰后，再由高精度Ａ／Ｄ转换器转换成数字量实时存入单片机的ＲＡＭ内处理，*后使执行机构动作，从而检出混有金属杂质的物体结 论目前已在注塑成型企业中投入使用，取得了较好的效果，可进一步在橡胶、食品加工等行业推广使用。
分析了金属分离器的工作原理，并给出所设计传感器的结构以及基本参数，根据理论分析和实验结果，这种新型传感器结构简单、信号较强、灵敏度高。