感應式接近傳感器

電感式傳感器負責通過測量PCB線圈的電感變化來準確檢測可移動目標的位置。通過將此線圈連接到適當的電路，可以在接近度和測量的電感之間建立關聯。EMS 用于計算 PCB 線圈在目標不同位置的電感。這可以幫助電路設計人員創建一個可以準確測量電感變化的電路。

感應式接近傳感器的 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定律。電流的幅度非常低，大約為 mA。當附近沒有目標時，如圖 1 所示，線圈的電感是眾所周知的，可以通過 EMS 計算。在目標的情況下，如圖 2 所示，在線圈的正上方，線圈的電感會發生變化，這個新的電感值有助于傳感器檢測到目標。這種類型的傳感器僅適用于導體目標。

圖 1 -目標不在直接附近

圖 2 -傳感器正上方的目標

您可能想知道為什么線圈的電感會發生變化。當線圈上方有如圖 2 所示的金屬（導電）目標時，線圈中的高頻交流電流會在目標中產生渦流。這些渦流產生的磁場與線圈產生的磁場相反。結果是線圈附近的凈場減小。這會導致線圈的電感發生變化。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獲得。在這個模擬中，圖 3，交流磁研究的頻率設置為 1 MHz。EMS 可以解決高達幾百兆赫的頻率。

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。

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——線圈和目標由銅制成，顧名思義，空氣區域是空氣。圖 5 顯示了為該仿真建模的各種部件。空氣區域是使用 EMS 執行的任何 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用到 EMS 中

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

圖 6 - EMS 中的自動網格生成

電感變化計算

結果部分分為 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——當目標接近線圈但不在附近時，以及當目標直接位于線圈頂部時。當目標在線圈附近時，電感從 1.27 微亨利減小到 1.07 微亨利。這相當于減少了 15.7% 的線圈電感。這些值有助于工程師設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，不隨目標位置而變化。EMS 根據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（當目標在附近時）。請注意，對于磁通密度向量圖，通過目標的向量的大小更小，這是因為目標上的感應渦流。目標上的渦流與線圈產生的磁場相反。EMS 可以創建 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 顯示了當目標靠近傳感器（或線圈）時，目標中渦流的分布。請注意電流矢量如何產生與線圈產生的通量相反的通量。

圖 11-目標中的渦流

結論

此示例說明 EMS 如何幫助工程師設計更好的電感傳感器。他們正在尋找的主要參數是電感的變化，這有助于他們設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研究設計，特別是關于場的行為。