（通信与信息系统专业论文）双探头电涡流传感器真空度无损检测系统研究.pdf

中文摘要 真空度是衡量罐头食品质量的一个重要指标。罐头真空度测量的方法有多 种，如光电法、感应法、电脉冲法、电涡流法、超声波检测法、真空表检测法和 人工打检法等。其中，电脉冲法和超声波法是国外广泛采用的高精度真空度检测 方法。但由于这些检测设备价格昂贵，对操作环境的要求高，因此只有个别厂家 在引进的专业罐头生产线上采用，人工打检法仍然是我国食品厂主要的测量方 法。由于人工打检法精确度低，而且测量过程是破坏性的，因此不能应用于生产 线自动检测。 本文在对现有研究成果进行深入分析的基础上，结合企业的实际需求，研究 了双探头电涡流传感器真空度无损测量装置，并进行了分析与验证。本文的主要 研究内容如下： 1 、研究了电涡流检测法的原理，给出了检测系统的系统框架和电路设计； 2 、研究了双探头电涡流传感器无损真空度测量方法，并进行了大量的实验， 发现了传感器输出电压与罐头盖微小形变以及真空度之间的对应关系，拟合出了 传感器输出电压和真空度的曲线及方程； 3 、实际生产条件下，由于每一罐头封装的高度存在差异，对测量精度有一 定影响。本文采用模拟测量的方法，研究了罐头封装高度对测量精度的影响，建 立了两者之间的函数关系。在此基础上，设计了误差补偿方法，从而克服了罐头 封装高度不同所带来的误差； 4 、研制了由8 9 c 5 8 单片机做数据处理部件的真空度无损测量设备，对温度、 大气压、罐头盖材质等因素的影响采用自适应修正技术进行处理，提高了测量结 果的可靠性，既适用于生产线上的动态在线测量，也可以在质检室进行抽检。经 实验验证该测量系统的测量误差率小于5 。 本文所研究的真空度无损检测系统具有精确度高、价格低廉、测量速度快等 优点，对在我国实现罐头真空度无损检测具有重要的意义。 关键词：真空度，无损检测，双探头电涡流传感器，误差补偿 a b s t r a c t v a c u u md e g r e eo ft h ec a l lf o o di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tq u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c s u pt on o w , t h e r ea r eal o to fm e t h o d sf o r t h ev a c u u md e g r e e m e a s u r e m e n t ，s u c ha sp h o t o e l e c t r i cm e t h o d , i n d u c t i v em e t h o d ，e l e c t r i c a lp u l s e m e t h o d , e d d yc u r r e n tm e t h o d ，u l t r a s o n i cm e t h o d ，v a c u u mm e t e rm e t h o da n dm a n u a l m e t h o d i nt h e s em e t h o d s t h ee l e c t r i c a lp u l s em e t h o da n dt h eu l t r a s o n i cm e t h o da r e t h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o d si nt h ef o r e i g nf o o df a c t o r i e s f o rt h em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t sw i t ht h e s et w om e t h o d sa r ev e r ye x p e n s i v ea n dh a v es p e c i a lr e q u i r e m e n t s f o rt h eo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t t h e s ei n s t r u m e n t sa r eo n l yu s e di naf e wa d v a n c e d p r o d u c t i o nl i n e s a n dt h em a n i l a lm e t h o di ss t i l lt h em a i n m e t h o di nt h ef a c t o r i e so f o u rc o u n t r y f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wa c c u r a c ya n dd e c o n s t r u c t i o no ft h em a n u a l m e t h o d i tc a n tb eu s e di na u t o m a t e dd e t e c t i o ni np r o d u c t i o nl i n e s b a s e do nad e e p l ya n a l y s i so nt h et h e o r i e sa n dr e s e a r c h i n gr e s u l t s ，a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so ft h ef a c t o r i e s ，av a c u u md e g r e en o n d e s t r u c t i v em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n ti ss t u d i e da n di ti sc e r t i f i e dw i t hal o to fc a s e s t h em a i nc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r el i s t e da sb e l o w 1 t h et h e o r yo ft h ee d d yc u r r e n tm e a s u r e m e n tm e t h o di ss t u d i e da n dt h es y s t e m s t r u c t u r ea n dt h ec i r c u i to ft h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta r ed e s i g n e d 2 t h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h ed u a le d d yc u r r e n ts e n s o ri ss t u d i e d w i t ha l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，t h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h es e n s o r , t h et i n yd i s t o r t i o na n dt h ev a c u u md e g r e ei sa n a l y z e d f u r t h e r m o r et h ec 1 u v ea n d f u n c t i o nb e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g ea n dt h ev a c u u md e g r e ea r ef o u n dt o o 3 i np r a c t i c e ，f o rt h ed i f f e r e n c eo ft h eh e i g h tb e t w e e nt h ec a l l ，t h ea c c u r a c yo f t h ei n s t r u m e n ti sa f f e c t e d t h u st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e i g h to ft h ec a l la n dt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yi ss t u d i e dw i t ht h es i m u l a t i o nm e t h o d a n dt h ef u n c t i o n b e t w e e nt h eh e i g h to ft h ec a l la n dt h ea c c u r a c yi sf o u n d f u r t h e r m o r e ，a ne r r o r c o m p e n s a t i o nm e t h o di sd e s i g n e da n d t h ea c c u r a c yo ft h ei n s t r u m e n tc a nb ei m p r o v e d o b v i o u s l y 4 t h ev a c u u md e g r e em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tw i t ht h ed a t ap r o c e s s o ro fa s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , 8 9 c 5 8 ，i sd e v e l o p e d a na d a p t i v ec o r r e c t i o nm e t h o df o r r e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo f a l lk i n d so ff a c t o r s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，m a t e r i a lo ft h ec a n a n da t m o s p h e r i cp r e s s u r ee t c ，i si n t r o d u c e d a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ei n s t r u m e n ti s i m p r o v e do b v i o u s l y t h u s t h i sk i n do fi n s t r u m e n t sc a nb e u s e d b o t hi nt h e e n v i r o n m e n to fd y n a m i co n l i n em e a s u r e m e n ta n di nl a b o r a t o r i e s i ti sc e r t i f i e dt h a t t h ee r r o rr a t eo ft h i si n s t r u m e n ti sl e s st h a n5 t h e r ea r es o m ep e r f e c tc h a r a c t e r i s t i e so ft h ei n s t r u m e n td e v e l o p e di nm i s 也e s i s s u c ha sh i g ha c c u r a c y , l o wp r i c ea n d h i g hm e a s u r e m e n ts p e e d a n dt h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to ft h i si n s t r u m e n ti sh e l p f u lf o rt h er e s o l v i n gt h ep r o b l e m si nt h e v a c u u md e g r e em e a s u r e m e n ti no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：v a c u u md e g r e e ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，d u a le d d yc u r r e n ts e n s o r s ，e l t o r c o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 考勤 签字日期：加口7 年多月孕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者妣易勃 签字眺吲年占月咿 导师躲谈眷荡 签字日期：夕况一年月弘日 第一章绪论 1 1 研究的背景与目的 第一章绪论 罐装饮料现今已经普遍的进入了人们的生活。这种饮料因其快捷、卫生，可 以长期保存而不失其新鲜的味道，且易于保存运输，因此给人们生活带来方便， 深受广大消费者的喜爱。作为进出口贸易的大国，罐头也是我国重点出口的商品 之一。罐头之所以能够长期保存，真空度是衡量罐头食品质量的一个重要的指标。 罐头内良好的真空度可以防止食品氧化和好气菌的生长，保证食品的质量。目前， 国内外报道鉴别罐头真空度的方法有多种，如光电法、感应法、电脉冲法、电涡 流法、真空表检测法和人工打检法，发达国家制造业从6 0 年代已开始研制采用 “电脉冲法”、“超声波法”等高精度仪器检测罐头真空度，到7 0 年代己普遍应用 于罐头生产线自动监测。我国目前罐头真空度检测，只有个别厂家在引进的专业 罐头生产线上面有高精度的自动监测装置，这种装置对罐形及封罐的操作有一定 的要求，以保证同一批罐的测量条件的一致性。但是因为使用时要求的条件高， 因此还不能被广泛采用，大部分厂家仍采用技术落后的人工打检法和真空表检测 3 5 1 o 人工打检法是依靠检测工的经验进行操作，可靠性极低，真空表检测为破坏 性检测，不能应用于生产线自动检测。罐头生产厂和检测部门极希望能找到生产 线自动无损检测的方法。为此，根据国内外的有关技术的指导，本论文采用电涡 流法作为基本的理论分析方法，从单探头到双探头进行了大量的测试数据统计分 析，以便能找到一种适合我国国情的可靠的检测方法。 1 2 研究的意义 经排气后密封良好的罐头要保持一定的真空度，其意义在于：防止罐内物 变色、氧化减少营养损失；减缓铁罐内壁腐蚀，避免罐头变形和假胖听；适 应环境温度和气压变化；抑制罐内好气性微生物繁殖。 食品饮料罐头是日常生活中能够长期保存的食品饮料之一，为确保其内部食 物、饮料在长期存储过程中不变质，罐内真空度( 正压和负压) 必须达到一定的 数值。罐头真空度是检测罐头密封程度、保证其质量的重要指标。我国自改革开 放以来，食品、饮料金属包装行业发展成为一个新兴的行业，近年来尤其是进入 第一章绪论 w t o 后我国已成为食品、饮料加工和出口的大国，成为国家创汇的主要行业之 一。但是，我国出口罐头因密封不良所造成的国外索赔的事屡有发生。因此，在 罐头生产厂出口罐头的口岸查验中加强罐头密封性能的检查至关重要。 这种罐装饮料为了保持其新鲜度，通常采用密封的手段进行保存。通常密封 保鲜的方式有两种，一种是向饮料罐中充入大量的惰性气体( 例如二氧化碳气 体) ，把里面的空气挤压出去，使里面的物质很少与氧气接触，减慢其氧化速度 ( 这种密封方式通常称作正压封装) ；第二种是直接将里面的气体尽量抽出，也 就是在一定的负压下对饮料罐盖进行封装，这样也可以减少饮料与空气的接触， 同样可以减慢其氧化的速度( 这种密封方式通常称作负压封装) 。无论哪一种， 封盖的严密性直接影响着饮料的保质期。再者，在正压封装中，如果压力过小， 饮料容易变质腐坏；如果压力过大，容易造成爆瓶伤人的事件。在负压封装中负 压过小，容易造成液体变质腐坏的现象。由此可见，真空度是衡量罐头食品质量 的一个重要指标。经实际调查和研究发现，在测量真空度方面，国内大多数厂家 仍然采用技术落后的人工打检法和真空表检测。人工打检法是依靠检测工的经验 进行操作，不仅效率低而且可靠性极差；真空表检测法是一种破坏性检测方法， 这种方法虽然直接准确但经过测试的饮料真空环境已经被破坏，只能直接饮用而 无法继续保存，这种检测方法的固有性质，决定了它只能进行抽样检测，无法对 每罐饮料逐一检测，这就造成伪品的漏检，而且数量很大。可以看出这两种方法 均不能应用于生产线自动测量。 由于镀锡马口铁生产技术滞后，我国食品、饮料金属封装行业发展落后国外 十多年，有关罐头真空度和真空度无损检测研究水平相应滞后。目前从检索到的 资料和实际了解到的情况看，能用于生产线传送带上罐头真空度检测手段还是一 个空白。 因此研制开发一种准确、快速、无损的自动化装置显得非常的重要。国外工 业发达国家的罐头制造商对罐头封装后其内部的真空度检测非常重视，先后发展 出多种检测方法，罐头真空度在线检测机在7 0 年代就已经投入使用了，微电子 技术的飞速发展使仪器进一步向小型化、智能化、多功能化的方向发展，反观国 内的罐头厂家，依然是用原始的办法，随着国内生活水平的提高，消费者对质量 的日益重视，自动化生产线的广泛使用，使得罐头生产行业的真空度检测不能满 足生产率的大幅提高，迫切的需要一种智能化的在线无损检测装置。 1 3 相关研究综述 用于罐头等真空密器的真空度检测方法较多，大致可分为1 0 类：人工敲 2 第一章绪论 打听音法( 又称人工打检法) ；真空表直接测量法；罐盖变形目测法；改 变罐盖外部压力法( 简称外压法) ；变形度检测法；光学法( 或称光反射 法) ；超声波法；流体力学法；声电转换检测法；漏泄直接检测法。 虽然罐头真空度检测方法很多，但能直接用于罐头生产厂封罐后或出厂前传 送带上高速动态检测的方法不多。目前国内绝大多数厂家仍沿用人工打检法，是 一种人工方法，检测者手持木器敲打罐头，根据声音判断是否有一定的真空度， 这种方法完全靠人的生理感受和经验，是一种容易失误和受多种因素影响的劳动 量大的方法，仅凭人的经验和感官，检测精度无法保证，且效率低，费时费工， 是一种本应早该淘汰的落后方法。真空表直接测量法，它是将一根钢针插入罐头 内部，针管的外端与真空表相连，观察表的指针偏转方向和读数，判断是否合格。 显然这是一种破坏性的检测，只使用于罐头抽检，目前国内一些商检职能部门还 在用此检测法。罐盖变形目测法的缺点法与人工打检法一样，是一种该淘汰的落 后方法。外压法测量过程时间长，不便于自动化检测，只能用于空内作静态检测。 其它方法，如流体力学法，漏泄直接检测法用于罐头真空度生产线检测的报导极 少。光学法( 光反射法) 虽然易于实现，但材质不均匀和被测对象振动都会带来 测量误差。声频法是对人工打检法的模拟，是把人工检测手段改为电测的一种方 法，但受外界声频干扰和盖表面物影响，且测试速度和效率低，不适用于在线检 测。超声波法和电涡流法在国外7 0 年代用于罐头生产线自动检测【9 j 。 从目前检索到的国内有关文献和罐头行业实际情况分析，存在如下几个特 点： 国内罐头真空度检测手段研究已逐渐从手工检测、破坏性检测向非破坏 性检测发展，而且9 0 年代这方面的研究最活跃。 9 0 年代国内研究和实践集中在声频法和电涡流法方面。其中电涡流方面 的研究报导较多。 国内9 0 年代电涡流法无损测量罐头真空度研究的文献主要集中在用于 室内静态测量仪器的开发研制上。智能控制部件均采用8 0 5 1 系列单片机、所用 传感器为单探头，这离传送带上实用化程度要求相差太远。实用化的主要的技术 障碍是：盖表面造型复杂，盖中部和边沿随罐内真空度变化变形差异大，因此， 单探头测量不能完全反映真实情况。此外，影响实用化的关键因素之一是传送带 振动带来的测量误差，实际在线测量时必须扣除这部分位移的影响。以前报导的 有关罐头真空度无损检测仪器均不能克服这个缺点。 近几年来，国内外报导鉴别罐头真空度的文献不多。就国外情况而言，7 0 年代国外对罐头真空度检测方法就有了较深入的研究，其科技成果早己用于实 践。这主要归功于食品、饮料罐头金属包装技术、传感器技术和微电子技术的飞 3 第一章绪论 速发展。目前，从进口的在线罐头真空度检测设备来看，其检测精度可达1 ， 检测速度达1 0 0 0 罐分，检测罐头种类几十种，其中包括玻璃封装罐，金属封装 和塑料盖封装罐头，罐头类型包括食品、饮料和啤酒类。 由于镀锡马口铁生产技术滞后，我国食品、饮料金属封装行业发展落后国 外1 0 多年，有关罐头真空度和真空度无损检测研究水平相应滞后。目前从检索 到的资料和实际了解到的情况看，能用于生产线传送带上罐头真空度检测手段还 是一个空白。 我国目前罐头真空度检测，除个别厂家在引进罐头生产线上配有高精度自动 检装置( 该装置对罐型、装罐操作和杀菌压力等条件有严格要求，还不能广泛采 用) ，以及个别大型企业进口专用生产线罐头真空度自动检测装置外( 价格昂贵， 每台十万元) ，至今绝大多数工厂仍采用检测技术落后的真空表直接检测法( 属 破坏性检测，只适用于抽检) 和人工打检法，生产企业常因真空度判断失真导致 成品不必要的返工，经济损失较大。 国内关于罐头真空度检测的研究情况大致如下： 文献 1 】报导了罐头真空度的声频测试法。此法虽能用于传送带上对罐头作 无损检测，但只适于单罐检测，不能完成一组罐同时检测，且检测速度慢，易受 车间环境声频干扰，且受盖表面物影响较大，使实际应用受到限制。 文献【2 】利用电涡流法检测罐盖微形变，进而检测罐内真空度，并研制出了 以单片机控制的相关仪器。但此成果仍属实验室水平，对于选择以罐盖而不是以 罐底形变为检测对象的问题值得探讨；更主要的是对测量误差修正和外界振动等 关键因素影响的解决方法没有给出，因而使难实用化。 文献【3 】报导了同样利用电涡流法，采用单片机作控制单元的食品罐头真空 度微机化无损检测仪，并运用弹性力学理论建立了一种罐盖的内外压差和中心点 位移之间的数学模型。文献 3 与文献 2 存在同样的关键问题需要解决，才能真 正用于传送带上作罐头真空度动态检测。 文献 4 】利用气压平衡原理研制出了罐头真空度检测实验装置。这种装置操 作测量过程时问长，仅适用于室内静态测量，不能用于实际生产线。 有关文献对单探头电涡流无损检测方法进行了研究，这种单探头电涡流法较 前几种方法有了很大进步，属非破坏性测量。它是利用电涡流法测距原理，测量 罐头盖弹性变形的凹凸量，即表示罐内真空度或压力，通过电脑进行数据采集处 理，得出测量结剁删。这种方法虽然测距精度很高，分辨率可达0 5 1 t m ，但仍然 存在一些致命弱点：第一，选择盖的边沿某一点作基准量极不可靠。制盖和封盖 过程中产生的盖表面机械变形影响很大，这种变形量远远高出电涡流传感器最小 分辨距离几十甚至上千倍，使精确测盖凹凸量失去了意义；第二，易受机械振动 4 第一章绪论 影响。罐头在生产线传送带上机械振动很严重，这种以盖上某一点作基准量的方 法就行不通了，故不适应作动态测量；第三，多因素影响的修正方法也待讨论。 1 4 本文的主要内容与结构 本文在单探头电涡流无损检测方法的研究基础上，针对国内罐头真空度无损 检测现况和文献【2 】、【3 存在的问题进行了研究，提出双探头电涡流法，双探头 电涡流法实质上是针对单探头电涡流法的缺点而开发研制的。经过对不同型号铝 盖的大量实测发现，只有盖中心部位很小区域内变形接近弹性变形，且重现性差， 机械迟滞问题较严重，而且机械封盖时产生的盖边沿变形较大，( 往往大于内部 压力产生的形变) ，因此提出了双探头电涡流法罐头真空度无损检测，采用单片 机作智能控制部件。双探头电涡流克服了文献 2 、 3 】采用单探头电涡流传感器 测量精度低的缺点，同时对外界振动的影响作了必要的修正，对于成果向实用化 转化具有重要的理论意义和应用价值。 本论文完成的主要工作包括以下几项： l 、研究了电涡流检测法的原理，设计了检测系统的系统框架和电路； 2 、研究了双探头电涡流传感器无损真空度测量方法，并进行了大量的实验， 找到传感器输出电压与罐头盖微小形变以及真空度之间的对应关系，拟合出了传 感器输出电压和真空度的曲线及方程； 3 、实际生产条件下，由于每一罐头封装的高度存在的差异，对测量精度有 一定影响。本文采用模拟测量的方法，研究了罐头封装高度对测量精度的影响， 建立了两者之间的函数关系。在此基础上，设计了误差补偿方法，从而克服了罐 头封装高度不同所带来的误差； 4 、开发了由8 9 c 5 8 单片机做数据处理部件的真空度无损测量设备，对温度、 大气压、罐头盖材质等因素的影响采用自适应修正技术进行处理，提高了测量结 果的可靠性，既适用于生产线上的动态在线测量也可以进行质检室的抽检，经实 例验证，该测量系统的误差率小于5 。 本文的结构如下： 第一章主要介绍了罐头真空度检测的目的和意义，并对已有方法的优缺点 进行分析。 第二章阐述了电涡流传感器的结构、工作原理及主要性能指标。 第三章研究了双探头电涡流传感器的测量方法，分析了双探头电涡流传感 器位移测量方法在罐头真空度测量上应用的可行性，研究了传感器参数的选择方 法，并设计罐头真空度测试台，分析了沿高的测量方法，进行了双探头模拟测量 5 第一章绪论 真空度，并得出大量数据，得到拟合曲线。 第四章分析说明双探头电涡流检测系统原理及结构，并设计出了测量控制 电路。 第五章误差分析，讨论了各种因素对系统性能的影响。 第六章结束语。 创新之处： ( 1 ) 研究了双探头电涡流罐头真空度测量方法，可以进行真空度无损测量， 克服了采用单探头电涡流传感器测量精度低的缺点，对外界振动的影响作了必要 的修正； ( 2 ) 设计出了双探头电涡流检测系统，采用单片机控制技术，进行数据采 集。 6 第二章电涡流传感器位移测量原理 第二章电涡流传感器位移测量原理 2 1电涡流式传感器工作原理 2 1 1电涡流式传感器简介 电涡流式传感器是2 0 世纪7 0 年代以来得到迅速发展的一种传感器，它利用电 涡流效应进行工作【1 1 】。由于它结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽、不受油污 等介质的影响，所以能进行非接触测量，应用范围广，问世以来就受到重视。目 前，电涡流传感器已广泛用于位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等非电量测 量以及用于无损探伤等领域【2 引。 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体中产生感生电流g ，此电流在。 导体内是闭合的，称为涡流。如图2 1 所示【7 】。 2 1 涡流传感器示意图 涡流大小与导体电阻率p 、导磁率、线圈激励电流的频率厂以及产生交变 磁场的线圈与被测体之间的距离d 有关。显然，磁场变化频率越高，涡流的集肤 效应越显著，即涡流穿透深度越小。涡流穿透深度h 可表示为： 广 拈5 n 3 专) q 。1 式中p 导体电阻率( q c m ) 从导体相对磁导率 厂交变磁场频率( 比) 由式( 2 1 ) 可知涡流穿透深度h 和激励电流频率厂有关，因此，根据涡流 7 第二章电涡流传感器位移测量原理 传感器激励电流频率的高低，可以分为高频反射式和低频透射式两大类。目前， 高频反射式电涡流传感器应用广泛，实际应用中一般为高频反射式。 2 1 2电涡流传感器工作原理 电涡流传感器位移测量的原理是利用线圈的阻抗特性变化来反映被测金属 导体的涡流效应，涡流检测示意图如图2 2 所示。 一f凶 j o t i 图2 - 2 涡流检测不意图 传感器的激励线圈通过高频电流，产生高频交变磁场磁，当被测导体靠近线 圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此交变磁场相交链的电涡流t ，而 此电涡流又产生交变磁场噍，阻碍外磁场的变化。两种磁场的相互作用，使得通 过传感器线圈中的电流的幅度和相位发生变化。测量时，电涡流传感器中交流激 励频率厂为定值，被测材料确定后，其电阻率p ，磁导率从也为定值，此时， 传感器的输出等效阻抗z 、等效电感l 、品质因数q 与传感器和被测导体之间间 距d 建立一定的函数关系，于是把位移量转换成电量，这就是电涡流传感器位移 测量的原理。 为了便于分析，将被测金属导体看作短路线圈，它与激励线圈的磁性相连， 根据变压器原理，把激励线圈视为变压器的原边，被测导体为副边。用互感肘来 表征传感器与金属导体间耦合松紧关系。画出电涡流传感器等效电路如图2 3 所 示【7 】o 图2 3电涡流传感器等效电路 8 第二章电涡流传感器位移测最原理 图2 3 中，墨、厶分别为传感器激励线圈的损耗电阻和电感；是、l 2 分别为 被测金属导体的损耗电阻和电感；m 为线圈和金属导体之间的互感系数；应为 激励电压。设甜为线圈中通过电流的角频率，则根据基尔霍夫定律，可列出电压 平衡方程组如下： 译1 1 + j ? 1 1 j 蛐2 = ：e ( 2 - 2 ) 【一j c o m l l + 恐1 2 + j f & 呜1 2 = 0l， 解此方程组，得 1 1 = e 乒归且r 2 + j c o l 2 = 警铲 z = 【r + j 霹( 丽t o m ) 2 r 】+ 科厶一j 害号厶】 线圈的等效电感为 三= 厶一i 薯j ( t o 面m ) 2 ： 线圈的等效电阻为 r = 蜀+ 丽( t o m ) 2 尺z 线圈的等效q 值为 1 一l 2 ( ( o m ) 2 嗍。一趱 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中m 为互感系数； q 0 = 等为无涡流影响时的线圈品质因数； z ；= 尺；+ ( c o l ) 2 为金属导体中电涡流部分的阻抗。 q 值的下降是f h 于涡流损耗引起的，并与金属导体的导电性和距离殖接 9 第二章电涡流传感器位移测景原理 有关。当金属导体是磁性材料时，影响q 值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电 感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率从的变化 将影响。当距离a r a 或d , 时，由于从增大而使式( 2 3 ) 中的l j 增大；若金属导体 为非磁性材料，则有效磁导率和导体与线圈的距离无关，i c l l 不变。式( 2 4 ) 中第2 项为电涡流回路的反射电感，它使传感器的等效电感值减小。因此，当靠 近传感器的被测物体为非磁性材料或硬磁材料时，传感器线圈的等效电感减小； 如被测导体为软磁材料时，则由于静磁效应使传感器线圈的等效电感增大。 由式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可见，线圈与金属导体系 统的阻抗、电感和品质因数均为互感系数平方m 2 的函数。而互感系数m 是两个 磁性相联线圈距离d 的非线性函数。因此，当构成电涡流式位移传感器时，设d = x ， 贝u z = j 5 、l = j 5 、9 币o ) 均是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数 近似地用线性函数来表示，于是在该范围内通过测量线圈的z 、l 或q 的变化就可 以线性地获得位移的变化。经计算可得 虽吲v d 2 - u d 4 ) 协7 ， v 、u 均为系数，蜀为比例系数。从而得出电涡流效应与传感器和被测体距离的 函数关系。由式( 2 7 ) 可见，善与d 2 和d 4 值有关，因而测量的线性范围受到限制。 翰 本论文通过合理的选择传感器线圈尺寸参数使传感器的非线性误差较小，保 证监测系统的精度和灵敏度，用电涡流传感器配以相应的测量电路即可得到输出 电压y 与d 之间的比例关系。 2 2电涡流传感器结构类型及主要性能指标 2 2 1 结构类型 1 、高频反射式电涡流传感器 这种传感器中，变间隙式是最常用的一种结构形式。它的结构简单，由一个 扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制，如高温使用时， 可采用铼钨合金线，用粘剂粘在框架端部或绕制在框架槽内，后者如图2 4 所示。 线圈框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用高频陶瓷、 聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、氮化硼或聚四氟乙烯等。由于激励频率较高，所采用 的电缆与插头也要充分重视【3 3 】。 1 0 第二章电涡流传感器位移测量原理 图2 4 电涡流传感器的结构 1 一线圈；2 一框架：3 一衬套；4 - 支架；5 一电缆；6 一插头 载流扁平线圈的几何尺寸说明如图2 5 所示。其中，b p 为线圈产生的磁感 应强度，x 为线圈中心轴上点离单匝载流圆导线的距离。 分析表明，线圈外径，：l 。大时，线圈的磁场轴向分布范围大，但磁感应强度风 的变化梯度小；而名。小时，辟轴向分布的范围小，但肺的变化梯度大。这表明 电涡流传感器线圈外径越小，传感器的灵敏度将越高，线性范围将越小。线圈内 径的变化，只是在靠近线圈处灵敏度稍有不同。同样，线圈的厚度变化，也仅在 靠近线圈处对灵敏度才稍有影响【引j 。 一 ； 累 t 生 工 一 而 j l 图2 5 载流扁平线圈几何尺寸 l l 第二章电涡流传感器位移测量原理 不同的线圈外径、内径和厚度b 。，其磁感应强度耳与x 的关系曲线如 图2 - 6 所示。 ， 图2 - 6 占时曲线 ( 口) 不同；( 6 ) 1 i 。不同；( c ) b 。不同。 为了使传感器小型化，也可在线圈内加磁芯，以便在电感量相同的条件下， 减小匝数，提高q 值。此外，加入磁芯可以感受到较弱的磁场变化，造成磁导 率值增大而扩大测量范围。 由电涡流式传感器工作原理可知，传感器与被测体之问是通过电磁耦合进行 工作的，从这个意义上讲，被测导体也是传感器的“一部分”。因此，被测导体 的物理性质、几何尺寸都与传感器特性密切相关，故有必要对被测体进行分析讨 论。 ( 1 ) 被测体的电导率和磁导率对传感器灵敏度的影响 一般地讲，被测体电导率愈高，传感器灵敏度也愈高。磁导率则相反，被测 体为磁性时传感器的灵敏度低，被测体为非磁性时灵敏度比磁性时高。被测体若 有剩磁，对测量结果有影响，因此应予以消磁【2 1 】。 若被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量精度。当被测 体移动或转动时，这种不均匀性将形成干扰信号。激励频率越高，电涡流贯穿深 度越小，这种不均匀性影响更严重。 ( 2 ) 被测体大小和形状对传感器灵敏度的影响 由理论和实践证明，被测体为平面时，在涡流环的直径为线圈直径的1 8 倍 处，电涡流密度已衰减为最大值的5 。当被测体环的直径为线圈直径的一半时， 1 2 第二章电涡流传感器位移测量原理 灵敏度将减小一半；被测物体环的直径更小时，灵敏度下降更严重。因此，为了 充分利用电涡流效应，被测体环的直径不应小于线圈直径的1 8 倍。 当测量圆柱体时，只有其直径为线圈直径的3 5 倍以上，才不影响测量结果。 若两者直径相等时，灵敏度降低7 0 左右。 同样，被测体厚度对测量也有影响。一般地，厚度大于0 2 m m 时则不影响测 量结果( 视激励频率而定) ，铜、铝等材料可减薄到7 0 1 x m 。 2 、低频透射式电涡流传感器 低频透射式电涡流传感器的激励频率低，贯穿深度大，适用于测量金属材料 的厚度。其工作原理如图2 7 所示。 一 ! 一一 ： 、 - 纛量 一i ，一 甚 一障列_ - i )羹童 特_ 旧i l 卜l 嚣蜘l _ n 且謦口 图4 1双探头电涡流传感器测量原理框图 传感器测量电路输出的差动放大电路，经过传感器电路1 和传感器电路2 输出以后，将两个传感器探测到的罐头盖高度转化成为成比例的直流电压量输 出，这两个电压量之差与盖弹性形变量成比例关系。 4 2 双探头电涡流检测法的测量控制电路 4 2 1 信号放大电路 首先要对传感器出来的信号进行第一次的有源滤波，去除噪声信号，这样可 以防止后一级把无用的信号放大，传感器输出信号为毫伏级的变化量，不能直接 用作标准量进行a d 处理。在进入a d 之前将其跟随和放大，具体电路如图4 2 。 由于运放c a 3 1 4 0 具有很高的输入阻抗，非常小的输出阻抗，性能较好，所以在 本论文中采用这种运算放大器作为主要部件，由于电路采用相同的器件，所以可 以有效抑制运算放大器的温漂，使电路工作达到最佳性能。然后再把两个传感器 的信号做一次差动放大，做差动放大可以由几块基本运放组成，由于本论文遵循 器件要用的少，精度要高的原则，用专门的高精度仪器放大器i n a l l l 把两个传 感器过来的信号做差动放大，通过实际测量将放大倍数定为五倍。i n a ll l 的放 大倍数如下列公式计算可得： 3 8 第四章检测系统 妒丧小警 测量系统的运算放大电路如图4 - 2 所示。 i 4 2 2 信号的处理 图4 2 测量系统运算放大电路 信号经过放大以后，应该先隔离一下，以便解决电路的阻抗匹配问题，因为串 联负反馈会使电路的输入总阻抗增加，从而解决了阻抗匹配问题。本系统采用的运 算放大器为c a 3 1 4 0 ，它的本身输入阻抗大，可达1 0 9 1 0 1 2 q ，而且温度特性好，可 以有效的抑制器件本身的零漂，是属于比较理想的运算放大器。在进行a d 转换之 前应该对信号进行处理，去除干扰信号，以防止在a d 转换过程中引入误差，因此 需要进行第二次有源滤波，使干扰信号迅速衰减，电路图如图4 3 所示。 3 9 第四章检测系统 图4 3 测量系统的信号处理电路 4 3 数据采集系统设计 在任何瞬间，模拟电路的输出总是与其输入和电路的传递函数的乘积有关。 当输入变化是时问的连续函数时，输出必然是时间的连续函数。但是，在a d 转换中就不是这样，不管a d 转换器工作速度有多快，完成一次转换，总要占 有一定的时问。另外，a d 转换器只在输入信号周期内一个很短的时问间隔r 之 内测量输入信号。通常输入周期要比r 大的多，这样，在一个周期内有足够时间 完成多次的转换。 所以，模数转化器最初的工作是进行采样。采样过程就是把一个连续时间函 数的信号，用一定时间间隔的离散函数来表示，模拟量转化成数字量，包括时间 幅值两方面的量化通过时问和幅值的量化，把信号编成各种数制的代码。这样， 一个连续的模拟信号经过时间上、幅值上的编码，就成为一个断续的数字量。 采样过程的方法有很多，这里采用的是5 点抽样法的采样。 4 3 1a d 转换 根据测量系统的特点，选择a d l6 7 4 作为系统a d 转换部件。a d l 6 7 4 是 美国a d 公司推出的一种完整的1 2 位并行模数转换单片集成电路。该芯片内部 自带采样保持器( s h a ) 、1 0 伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接 接口的暂存- - 态输出缓冲器。 第四章检测系统 图“a d l 6 7 4 的功能框图 t 口厅羽隹稿 ，宦m 钳斛碡 秘 2 4 一嚣 2 露e 明- 昕暑 饭麓一站 p 鬯生啉珊 鼍、鲤堕一i _ i j 】z 胁噼 啊 捧t 露nl 研t l # 2 b一耵 i 聃刚册事硎“ 图4 5a d1 6 7 4 在单双极输入时的连接电路 a d l 6 7 4 的基本参数如下： 带有内部采样保持的完全1 2 位逐次逼近( s a r ) 型模数转换器； 采样频率为1 0 0 k h z ： 转换时i 泪q y ：j1 0 p s ； 具有士i 2 l s b 的积分非线性( 烈l ) 以及1 2 位无漏码的差分非线性( d n l ) ； 满量程校准误差为o 1 2 5 ； 内有+ 1 0 v 基准电源，也可使用外部基准源； 4 l 第四章检测系统 四种单极或双极电压输入范围分别为+ 5 v ，士1 0 v ，o v 1 0 v 和0 v , - - 一2 0 v ； 数据可并行输出，采用8 1 2 位可选微处理器总线接口； 内部带有防静电保护装置( e s d ) ，放电耐压值可达4 0 0 0 v ； 采用双电源供电：模拟部分为士1 2 v 士1 5 v ，数字部分为+ 5 v ； 使用温度范围： a d l 6 7 4 j k 为0 c 7 0 ( c 级) ； a d l 6 7 4 b 为- 4 0 c 8 5 ( i 级) ； a d l 6 7 4 t 为5 5 + 1 2 5 ( m 级) 。 采用2 8 脚密封s o i c 封装形式。 功耗低，仅为3 8 5 m w 。 表4 1a d l 6 7 4 控制逻辑真值表 c ec s i v c 1 2 8a 0执行操作 o 无操作 1 无操作 l0 0 o 启动1 2 位数据转换 l0 o l 启动8 位数据转换 lo l 1 允许1 2 位并行输出 lo 1 1o 允许高8 位并行输出 l0 1 01 允许低4 位并行输出 4 3 2 a d 转换的数据读取方式 在数据采集系统中，计算机读取a d 转换数据的方式一般有三种，即查询、 中断和d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ，直接内存访问) 方式。其中查询方式就是 通过查询标志位来判断a d 是否转换完毕，如果a d 转换完毕则读入转换的数 据。这种方式下c p u 主动查询，通过c p u 读取a d 转换的数据，故实现的硬件 电路简单，但数据读取速度慢，存在着a d 转换数据不能及时读入的问题。中 断方式是利用a d 转换完毕的标志位触发一硬中断，然后中断管理器向c p u 提 出中断申请。在中断允许的情况下，执行中断服务程序，读入转换数据。这种方 式实现的硬件电路也比较简单，但中断服务程序的介入，引起数据采集程序的断 4 2 第四章检测系统 点具有不可预测性