EMS如何帮助工程师设计更好的电感传感器

感应式接近传感器

电感式传感器负责通过测量PCB线圈的电感变化来准确检测可移动目标的位置。通过将此线圈连接到适当的电路，可以在接近度和测量的电感之间建立关联。EMS 用于计算 PCB 线圈在目标不同位置的电感。这可以帮助电路设计人员创建一个可以准确测量电感变化的电路。

感应式接近传感器的 SolidWorks 模型

电感式传感器通常用于位置检测。它们由一个使用高频交流电流激励的线圈组成。电感式传感器的基本原理是基于法拉第感应定律。电流的幅度非常低，大约为 mA。当附近没有目标时，如图 1 所示，线圈的电感是众所周知的，可以通过 EMS 计算。在目标的情况下，如图 2 所示，在线圈的正上方，线圈的电感会发生变化，这个新的电感值有助于传感器检测到目标。这种类型的传感器仅适用于导体目标。

图 1 -目标不在直接附近

图 2 -传感器正上方的目标

您可能想知道为什么线圈的电感会发生变化。当线圈上方有如图 2 所示的金属（导电）目标时，线圈中的高频交流电流会在目标中产生涡流。这些涡流产生的磁场与线圈产生的磁场相反。结果是线圈附近的净场减小。这会导致线圈的电感发生变化。电感的这种变化是电感式接近传感器背后的基本原理。EMS 计算目标不同位置的线圈电感。

电感式接近传感器的 EM 仿真

在 EMS 中，这些类型的传感器使用交流磁模拟进行研究。在交流磁模拟中，EMS 解决了频域中的问题，并给出以下输出：线圈的电感、线圈的电阻、磁通密度、磁场强度和涡流密度。由于解决方案是在频域中求解的，因此所有场量都可以作为相位角的函数获得。在这个模拟中，图 3，交流磁研究的频率设置为 1 MHz。EMS 可以解决高达几百兆赫的频率。

图 3 - EMS 中的交流磁模拟

线圈

线圈被建模为实心线圈。线圈中的电流为 1 mA，电流方向如图 4 所示。EMS 可以将线圈建模为实心线圈和绞合线圈。实心线圈支持涡流，但绞合线圈假定没有涡流。在这个模拟中，线圈中的涡流被忽略了。但是对于由铜制成的可移动靶材，考虑了涡流效应。

图 4 -实心线圈中的电流方向

材料

在这个模拟中，有 3 个组件——线圈和目标由铜制成，顾名思义，空气区域是空气。图 5 显示了为该仿真建模的各种部件。空气区域是使用 EMS 执行的任何 EM 模拟的重要组成部分。它可以帮助您获得线圈和目标周围空气空间中的场量。EMS 带有一个完全可定制的材料库，其中包含数百种电气工程中常用的材料。

图 5 -可以从可定制的材料库轻松地将材料应用到 EMS 中

EMS 带有一个全自动网格生成器，它考虑了在您的 CAD 系统中创建的精确几何图形。这消除了以任何方式更改或修改 CAD 几何图形的需要。为了捕捉目标的趋肤深度，我们在目标上应用网格控制。网格控制允许用户有选择地定位模型中的区域并指定网格大小。图 6 显示了 EMS 生成的网格。

图 6 - EMS 中的自动网格生成

电感变化计算

结果部分分为 3 个部分——

线圈的电感计算

线圈的电阻计算

场图（磁通量密度、磁场强度、目标中的涡流等）

电感

线圈电感很有用，因为工程师使用这个值来设计可以检测运动的电路。下表如图 7 所示，显示了线圈在 2 个位置的电感——当目标接近线圈但不在附近时，以及当目标直接位于线圈顶部时。当目标在线圈附近时，电感从 1.27 微亨利减小到 1.07 微亨利。这相当于减少了 15.7% 的线圈电感。这些值有助于工程师设计一个足够灵敏的电路来捕捉这种差异。

图 7- 2 个位置的电感比较

反抗

线圈的电阻是其固有属性，不随目标位置而变化。EMS 根据其精确的几何形状计算线圈电阻。如图 8 所示，线圈的电阻计算为 0.35 欧姆。请注意，该电阻是线圈的直流电阻。

图 8- EMS 计算线圈的直流电阻

感应式接近传感器生成的 3D 场

图 9 和 10 显示了位置 2 的磁场密度和磁场强度图（当目标在附近时）。请注意，对于磁通密度向量图，通过目标的向量的大小更小，这是因为目标上的感应涡流。目标上的涡流与线圈产生的磁场相反。EMS 可以创建 3D 图、矢量图和剖面图。其中一些图可帮助您密切可视化您的字段并了解在各种情况下会发生什么。

图 9-磁通密度矢量图

图 10-磁场强度剖面图

图 11 显示了当目标靠近传感器（或线圈）时，目标中涡流的分布。请注意电流矢量如何产生与线圈产生的通量相反的通量。

图 11-目标中的涡流

结论

此示例说明 EMS 如何帮助工程师设计更好的电感传感器。他们正在寻找的主要参数是电感的变化，这有助于他们设计一个可以捕捉这种变化的敏感电路。场图提供了丰富的信息，他们可以通过这些信息仔细研究设计，特别是关于场的行为。