李 洋，趙興平，李賽雷

（1.海軍裝備部，西安 710089；2.航空工業(yè)第一飛機設計研究院，西安 710089）

當前國內軍、民用各類飛機的艙門和起落架系統的位置檢測功能主要通過接觸式微動開關和電感式接近傳感器實現[1]。接觸式微動開關存在開關觸點易老化、機械壽命低等缺點，逐漸趨于淘汰化。電感式接近傳感器是一種可以輸出開關量的位置指示與告警設備，由于其工作性能穩(wěn)定、環(huán)境適應性強且可實現非接觸式測量和余度設計等優(yōu)點，廣泛應用于現代新型飛機的起落架系統、艙門信號系統等作動機構的位置檢測[2]。

本文以電感式接近傳感器為對象研究其工作原理和接近特性，根據傳感器不同運動方式對接近特性和信號檢測精度的影響，探討傳感器靶標的材料選用和布置設計，最后給出了接近傳感器在飛機上的一般性安裝要求和故障檢測方法。

1 電感式接近傳感器工作原理

電感式接近傳感器按照激勵信號和工作原理的不同，可分為渦流耗損式和可變磁阻式。

渦流耗損式的激勵信號為交變信號，在金屬靶標上會形成一個電渦流，靶標接近或者遠離傳感器時，形成的渦流變化使得線圈的阻抗發(fā)生變化，如圖1 所示。

圖1 接近傳感器工作原理Fig.1 Working principle of proximity sensor

根據法拉第電磁感應定律，當傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導體表面產生感應電流，即電渦流[3]。與此同時，電渦流i2又產生新的交變磁場H2，H2與H1方向相反，并力圖削弱H1。若將金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，可得到等效電路如圖2 所示。

圖2 接近傳感器工作等效電路Fig.2 Working equivalent circuit of proximity sensor

圖2 中R1、L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，R2、L2為被測導體的電阻和電感。探頭線圈和導體之間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距離的減小而增大。U1為激勵電壓。

根據基爾霍夫電壓平衡方程式得出等效電路的平衡方程為

由此可得傳感器線圈的等效阻抗為

依據上述方程組可得接近傳感器探頭線圈的等效阻抗Z 為

式中：x 為檢測距離；μ 為被測體磁導率；ρ 為被測體電阻率；f 為線圈中激勵電流頻率。

利用靶標接近或者遠離傳感器時形成的電渦流變化原理，將接近傳感器探頭線圈等效阻抗Z 隨檢測距離x 變化的函數關系通過測量電路進行轉換，通過接近傳感器線圈回路電感L 表征檢測距離x的遠近進而實現基于接近傳感器信號的位置檢測。

本文研究的電感式接近傳感器均為可變磁阻式，其激勵信號為直流信號，一般由遠程電子單元提供。接近傳感器的信號經遠程電子接口單元內部解算后，將接近和遠離兩種狀態(tài)處理為離散電平信號并輸出給飛機管理計算機，供飛機判斷艙門和起落架系統等部位的位置信息。

2 接近傳感器特性研究

2.1 接近傳感器信號的距離特性研究

電感式接近傳感器檢測示意圖如圖3 所示。檢測距離和復位距離之間的空間稱作回差，檢測距離即額定動作距離。在檢測距離及檢測距離之內接近傳感器輸出信號衰減，檢測到“目標近”；在基準位置及基準位置之外，檢到“目標遠”。

圖3 接近傳感器檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of proximity sensor detection

由接近傳感器的工作原理可知，靶標與傳感器感應頭之間的距離是控制信號開關的唯一外部激勵。為便于分析，將這一距離向量分解為X，Z 兩個方向的分量，其中X 表示為從靶標前緣到傳感器中心軸線的距離，Z 表示為靶標端面與傳感器感應頭端面之間的距離。

以X 和Z 為基本變量，反映靶標-傳感器距離與傳感器信號之間關系的就是傳感器特性曲線，分別表示觸發(fā)“接近”和“遠離”信號時的2 條邊界曲線。

當靶標與傳感器的距離位于目標近區(qū)域，即Ga曲線以下時，可確保傳感器信號被計算機處理后的信息是“接近”；同理當靶標與傳感器的距離位于目標遠區(qū)域，即Gd曲線以上時，可確保傳感器信號被計算機處理后的信息是“遠離”。電感式接近傳感器檢測特性如圖4 所示。

圖4 電感式接近傳感器特性Fig.4 Inductive proximity sensor characteristics

圖4 中，Gd表示“遠離”時接近傳感器檢測面和靶標之間的距離；Ga表示“接近”時接近傳感器檢測面和靶標之間的距離；“目標近區(qū)域”即表示額定檢測距離以內滿足一定的Z 值時的傳感器檢測區(qū)域。

通常靶標與傳感器之間相互靠近的運動方式有直線接近式、相向轉動式和徑向轉動式3 類，不同運動形式的傳感器信號特性差異較大。

飛機上接近傳感器的安裝常用于轉動副，一般將接近傳感器固定，靶標隨移動部件轉動，與傳感器的接近方式通常有3 種。第1 種方式中，靶標與傳感器端面相向運動，使二者端面相“碰觸”；第2種方式中，靶標端面與傳感器端面相互垂直相切，且之間存在一定間隙；第3 種方式中，靶標相對傳感器端面轉動，二者之間存在一定間隙。常見的將第1 種運動形式簡稱為圓周相對運動，將第2 種轉動形式稱為圓周徑向運動，第3 種轉動形式簡稱為圓周相切運動。

由線圈電感變化量公式（6）計算電感L 可知，電感隨傳感器與靶標間距離增大成衰減趨勢，且距離越大，電感值的變化越小，靶標與鐵芯氣隙長度是非線性的關系，如圖5 所示。在微小變化量的情況下可將L-δ 看成近似線性，因此接近傳感器只適用于微小距離的測量（<10 mm）。

圖5 氣隙長度與電感值的特性曲線Fig.5 Characteristic curve of air gap length and inductance value

式中：W 為線圈匝數；Rm為回路 總磁阻；μ0為磁芯的磁導率；S0為氣隙截面積；δ 為傳感器與靶標的距離。

由圖5 可以得出：

所以在氣隙長度方面接近傳感器的靈敏度為

由線圈電感變化量公式可知，靶標與鐵芯氣隙截面積是線性的關系，如圖6 所示。

圖6 氣隙截面積與電感值的特性曲線Fig.6 Characteristic curve of air gap cross-sectional area and inductance value

由圖6 可以計算出，在氣隙截面積方面接近傳感器的靈敏度為

對比K0和K1的關系可以看出，通常情況下K1

2.2 接近傳感器信號的溫度特性研究

研究接近式傳感器等效電路參數R、L 隨溫度的變化情況，通過試驗溫度從70 ℃降至-55 ℃測量接近傳感器的等效電阻和等效電感，試驗結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 接近傳感器電阻隨溫度變化關系Fig.7 Proximity sensor resistance versus temperature graph

圖8 接近傳感器電感隨溫度的變化關系Fig.8 Variation of proximity sensor inductance with temperature

從圖7 和圖8 結果可知，電阻隨溫度變化比較明顯，而且近似成線性關系，而電感值隨溫度變化非常的小。接近傳感器檢測電路也是利用了其電感值在溫度變化時相對不變，只隨靶標距離改變的特性準確檢測靶標位置。

2.3 接近傳感器信號的故障檢測

接近傳感器在正常沒有目標體接近時，傳感器內部LC 回路會產生高頻振蕩，當傳感器內部斷路時振蕩會停止，此時電容兩端會被直流穩(wěn)壓電源充電，電壓升高后經處理電路可輸出斷路故障信號；當傳感器內部短路時，LC 回路的振蕩幅值降低時間較正常情況長很多，根據該特性可設計故障診斷電路實現內部短路自檢測[4]。

3 接近傳感器及靶標安裝布置

3.1 材料選用

接近傳感器的感應特性與周圍環(huán)境的材料特性息息相關，其安裝支架應選用磁導率接近空氣磁導率的材料，這樣對傳感器周圍磁路的影響最小。靶標材料一般應選用鐵磁性材料，其相對磁導率遠遠大于1，磁阻小。

鐵磁性材料又分為硬磁性材料和軟磁性材料，由于硬磁性材料磁滯損失大且在安裝使用過程中剩磁大，會吸附并磁化周圍金屬，所以應選用鐵磁性材料中的軟磁材料[5]。不同的軟磁材料對感應距離有輕微影響，磁性越強，磁阻越小，感應距離越大；但同時磁性越強又會影響飛機上的電磁環(huán)境，所以靶標材料應從導磁系數、機上電磁環(huán)境等方面綜合考慮，推薦使用PH13-8Mo、17-4PH、15-5PH 等低碳不銹鋼材料。而諸如銅、鋁、銀等非磁性且具有較高導電性的材料對接近傳感器的磁場影響很大，不能用于靶標材料，并且此類材料不能置于傳感器感應區(qū)域附近。

飛機在進行地面試驗和功能檢查時，希望在機體運動機構不動的工況下檢查接近傳感器的接近/遠離特性，此時需要一個隔離片插入傳感器端面與靶標之間隔斷接近傳感器的磁場，使傳感器的輸出狀態(tài)信號由接近變?yōu)檫h離，從而檢查傳感器接近、遠離兩種信號轉換的正確性。

在接近傳感器感應面與靶標之間插入適當的隔離片時，實際會在隔離片表面產生渦流效應，此渦流效應會反作用于接近傳感器線圈，使其電感值減小，當其電感值減小到遠離狀態(tài)的電感值時，其狀態(tài)就由接近狀態(tài)變?yōu)檫h離狀態(tài)，實現隔斷的功能[6]。

隔離片的隔離效果與隔離片材料的電導率、磁導率、幾何尺寸等息息相關。經研究發(fā)現隔離片需要選擇電導率高、磁導率低的材料，常見金屬材料特性數據，如表1 所示，同時考慮便攜和經濟性等因素，認為銅可作為隔離片的優(yōu)先推薦材料。

表1 常見金屬電導率和磁導率Tab.1 Electrical conductivity and magnetic permeability of common metals

3.2 安裝空間

如果靶標材料選用不當或感應區(qū)域有除了靶標以外的其它金屬材料，會改變傳感器感應頭部的磁場分布，造成信號干擾嚴重影響接近傳感器感應距離和信號特性。為消除此類干擾，要求接近傳感器應具備一定的安裝空間，在該安裝空間中不允許出現除靶標外其他磁性物體。

從電磁場角度進行研究分析，認為接近傳感器通電后產生的磁場可以看做低頻交變磁場，其波長λ 約為10E5 數量級，可以將接近傳感器通電后產生的磁場類似于一個近場區(qū)，其線圈產生的空間磁場強度為

式中：I 為線圈電流；A 為導線等效長度；D 為距離波源的距離。

根據接近傳感器實際工況的參數計算出與波源的距離D，即認為在這個距離以外的物體不會影響接近傳感器感應特性，將這個距離可視為接近傳感器安裝的安全距離。

在接近傳感器安裝布置時，兩個傳感器軸線之間的距離應或兩個感應端面間的距離應當大于安全距離。

3.3 安裝穩(wěn)定性

接近傳感器的特性是微距測量，因此安裝支架及靶標的強度和剛度應足夠大，以保證接近或遠離時的信號特性不受安裝支架變形的影響[7]。如果接近傳感器安裝支架或靶標安裝剛度較差，使用過程中形變過大會導致靶標與傳感器的相對位置變化過大，造成誤報虛警的情況。一般要求安裝支架須具有足夠的剛度以限制接近傳感器和靶標之間的距離的變化不超過開關點間隙的15%，防止由于結構變形而導致誤指示。

4 結語

電感式接近傳感器在工程實際應用時應重點考慮靶標及安裝支架材料選用、運動形式、安裝空間及穩(wěn)定性等方面因素，同時需結合接近傳感器信號的溫度特性和故障檢測進行設計。接近傳感器信號檢測技術采用非接觸測量原理，其工作可靠、無機械磨損、使用壽命長且抗干擾能力強，在未來飛機系統的位置檢測領域將有更加廣泛的應用。