EMS如何幫助工程師設(shè)計更好的電感傳感器

感應(yīng)式接近傳感器

電感式傳感器負(fù)責(zé)通過測量PCB線圈的電感變化來準(zhǔn)確檢測可移動目標(biāo)的位置。通過將此線圈連接到適當(dāng)?shù)碾娐?，可以在接近度和測量的電感之間建立關(guān)聯(lián)。EMS 用于計算 PCB 線圈在目標(biāo)不同位置的電感。這可以幫助電路設(shè)計人員創(chuàng)建一個可以準(zhǔn)確測量電感變化的電路。

感應(yīng)式接近傳感器的 SolidWorks 模型

電感式傳感器通常用于位置檢測。它們由一個使用高頻交流電流激勵的線圈組成。電感式傳感器的基本原理是基于法拉第感應(yīng)定律。電流的幅度非常低，大約為 mA。當(dāng)附近沒有目標(biāo)時，如圖 1 所示，線圈的電感是眾所周知的，可以通過 EMS 計算。在目標(biāo)的情況下，如圖 2 所示，在線圈的正上方，線圈的電感會發(fā)生變化，這個新的電感值有助于傳感器檢測到目標(biāo)。這種類型的傳感器僅適用于導(dǎo)體目標(biāo)。

圖 1 -目標(biāo)不在直接附近

圖 2 -傳感器正上方的目標(biāo)

您可能想知道為什么線圈的電感會發(fā)生變化。當(dāng)線圈上方有如圖 2 所示的金屬（導(dǎo)電）目標(biāo)時，線圈中的高頻交流電流會在目標(biāo)中產(chǎn)生渦流。這些渦流產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場相反。結(jié)果是線圈附近的凈場減小。這會導(dǎo)致線圈的電感發(fā)生變化。電感的這種變化是電感式接近傳感器背后的基本原理。EMS 計算目標(biāo)不同位置的線圈電感。

電感式接近傳感器的 EM 仿真

在 EMS 中，這些類型的傳感器使用交流磁模擬進(jìn)行研究。在交流磁模擬中，EMS 解決了頻域中的問題，并給出以下輸出：線圈的電感、線圈的電阻、磁通密度、磁場強度和渦流密度。由于解決方案是在頻域中求解的，因此所有場量都可以作為相位角的函數(shù)獲得。在這個模擬中，圖 3，交流磁研究的頻率設(shè)置為 1 MHz。EMS 可以解決高達(dá)幾百兆赫的頻率。

圖 3 - EMS 中的交流磁模擬

線圈

線圈被建模為實心線圈。線圈中的電流為 1 mA，電流方向如圖 4 所示。EMS 可以將線圈建模為實心線圈和絞合線圈。實心線圈支持渦流，但絞合線圈假定沒有渦流。在這個模擬中，線圈中的渦流被忽略了。但是對于由銅制成的可移動靶材，考慮了渦流效應(yīng)。

圖 4 -實心線圈中的電流方向

材料

在這個模擬中，有 3 個組件——線圈和目標(biāo)由銅制成，顧名思義，空氣區(qū)域是空氣。圖 5 顯示了為該仿真建模的各種部件?？諝鈪^(qū)域是使用 EMS 執(zhí)行的任何 EM 模擬的重要組成部分。它可以幫助您獲得線圈和目標(biāo)周圍空氣空間中的場量。EMS 帶有一個完全可定制的材料庫，其中包含數(shù)百種電氣工程中常用的材料。

圖 5 -可以從可定制的材料庫輕松地將材料應(yīng)用到 EMS 中

EMS 帶有一個全自動網(wǎng)格生成器，它考慮了在您的 CAD 系統(tǒng)中創(chuàng)建的精確幾何圖形。這消除了以任何方式更改或修改 CAD 幾何圖形的需要。為了捕捉目標(biāo)的趨膚深度，我們在目標(biāo)上應(yīng)用網(wǎng)格控制。網(wǎng)格控制允許用戶有選擇地定位模型中的區(qū)域并指定網(wǎng)格大小。圖 6 顯示了 EMS 生成的網(wǎng)格。

圖 6 - EMS 中的自動網(wǎng)格生成

電感變化計算

結(jié)果部分分為 3 個部分——

線圈的電感計算

線圈的電阻計算

場圖（磁通量密度、磁場強度、目標(biāo)中的渦流等）

電感

線圈電感很有用，因為工程師使用這個值來設(shè)計可以檢測運動的電路。下表如圖 7 所示，顯示了線圈在 2 個位置的電感——當(dāng)目標(biāo)接近線圈但不在附近時，以及當(dāng)目標(biāo)直接位于線圈頂部時。當(dāng)目標(biāo)在線圈附近時，電感從 1.27 微亨利減小到 1.07 微亨利。這相當(dāng)于減少了 15.7% 的線圈電感。這些值有助于工程師設(shè)計一個足夠靈敏的電路來捕捉這種差異。

圖 7- 2 個位置的電感比較

反抗

線圈的電阻是其固有屬性，不隨目標(biāo)位置而變化。EMS 根據(jù)其精確的幾何形狀計算線圈電阻。如圖 8 所示，線圈的電阻計算為 0.35 歐姆。請注意，該電阻是線圈的直流電阻。

圖 8- EMS 計算線圈的直流電阻

感應(yīng)式接近傳感器生成的 3D 場

圖 9 和 10 顯示了位置 2 的磁場密度和磁場強度圖（當(dāng)目標(biāo)在附近時）。請注意，對于磁通密度向量圖，通過目標(biāo)的向量的大小更小，這是因為目標(biāo)上的感應(yīng)渦流。目標(biāo)上的渦流與線圈產(chǎn)生的磁場相反。EMS 可以創(chuàng)建 3D 圖、矢量圖和剖面圖。其中一些圖可幫助您密切可視化您的字段并了解在各種情況下會發(fā)生什么。

圖 9-磁通密度矢量圖

圖 10-磁場強度剖面圖

圖 11 顯示了當(dāng)目標(biāo)靠近傳感器（或線圈）時，目標(biāo)中渦流的分布。請注意電流矢量如何產(chǎn)生與線圈產(chǎn)生的通量相反的通量。

圖 11-目標(biāo)中的渦流

結(jié)論

此示例說明 EMS 如何幫助工程師設(shè)計更好的電感傳感器。他們正在尋找的主要參數(shù)是電感的變化，這有助于他們設(shè)計一個可以捕捉這種變化的敏感電路。場圖提供了豐富的信息，他們可以通過這些信息仔細(xì)研究設(shè)計，特別是關(guān)于場的行為。