电涡流传感器的研究与探讨

1、档案编号:毕业设说题目：电涡流传感器的研宄与探讨系 别：电气工程系专 业：生产过程自动化班 级：姓 名：指导教师（共18页）年 月 日摘要：电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。由于它具有结构简单、抗 干扰能力强、测量精度高、非接触、响应速度快、不受油污等介质影响等优点， 因而得到了广泛的应用。但目前的电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器 存在非线性问题，这给传感器的应用造成丫一定的影响。本文首先通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究和优 化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。其次针对电涡流位移传 感器存在的测量范围小，传感器存在非线性问题的改善提出设想即：先对

2、电涡流 位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参 数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响：再从电路设计方面提高传感 器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基础；最后通过对电涡 流传感器测位移实验进行分析处理得出电涡流传感器位移测量范围的扩展方法 和改善电涡流传感器非线性问题的方法。关键词：电涡流传感器；位移测量；非线性；测量范围abstract： the eddy current sensor is a new type of sensor based on eddy current effect. because it is simple in

3、 structure, strong anti-jamming capability, high accuracy, non-contact, fast response, not polluted advantages such media influence, and been widely used. but the current electricity eddy displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem, the sensor to a sensor applications

4、has caused some influence.this paper firstly eddy current sensor used in the laboratory experiment template circuit research and optimization, and improve the anti-interference ability of the circuit more accurate measurement results. secondly according to the eddy current displacement sensor measur

5、ement range small, there exist nonlinear problem of sensor to improve it puts forward the idea of the eddy current is: first displacement detection sensors for displacement of the working principles and applications, research analyzed the coil cross-section shape and eddy current transducer paramete

6、rs on the linear measurement range and sensitivity influence; again from circuit design of the sensor to improve stability and anti-jamming ability, so as to lay a foundation displacement measurement; extended range finally based on displacement experiment eddy current sensors that analyzed with edd

7、y current sensor displacement measurement range of extension methods and improving the eddy current sensor method of nonlinear problems.keywords: the eddy current sensor; displacement measurement; nonlinear; measurement range1引言41.1涡流检测技术的发展现状-41.2课题研究方案及研究意义*52电涡流传感器的原理及应用描述62.1电涡流传感器的简介62.1.1传感器构成

8、及电涡流传感器的工作原理62.1.2电涡流传感器等效电路分析72.2电涡流传感器的应用83电涡流传感器实验电路设计'93.1电涡流传感器侧位移原理*93.2数据处理'103.3实验所得结论的应用整合描述134 设想134.1对电涡流传感器测量范围小和非线性问题改善的设想134.1.1检测线圈的选择134.1.2检测线圈的机械结构设计134.2电路设计的方向144.3设想总结.145 csy-2000d型传感器检测实验技术台维修记录15结 论17参考文献17致 谢1引言1.1涡流检测技术的发展现状早在1824年，加贝(gambey)就发现：如果悬挂着而且正在摆动的磁铁下方 放一块

9、铜板，磁铁的摆动会很快停止t来。这是首次发现电涡流存在的实验。几 年以后，傅科(foucault)在研究了这些电磁现象后指出：在强的不均匀磁场运动 的铜盘中有电流存在。因此，涡流在一段时间内叫傅科电流。1831年，法拉第 (faraday)在前人电磁实验的基础上，发现丫电磁感应现象：变化的磁场能产生 电场，并总结出电磁感应定律。在电磁感应现象发现以后，对电磁现象的实验研 宄和对电磁基本理论问题的数学分析都获得了巨大的进展。到1873年，麦克斯 韦(maxwell)系统的总结了前人有关电磁学说的全部成就并加以发展，得出了一 组以他的名字命名的电磁方程组。这组著名的麦克斯维方程组严整地描述了一切

10、宏观电磁现象，是解决大多数电磁学问题的基木理论工具，也是分析涡流实验方 法的理论基础。首先将电涡流现象和测量方法联系起来的是休斯(d. e. hu曲es) 在1 879年的实验。休斯首先用感生电流的方法进行了对不同金属和合金的判断 试验。他利用钟的滴答声在微音器里产生激励信号，得到的电脉冲通过一对彼此 相同的线圈并使放在线圈里的金属物体感生涡流。在用电话听筒谛听这个滴答声 的同时调节一个平衡线圈系统，使话筒里的滴答声消失。休斯发现，当金属材料 的形状、大小和成分不同时，平衡线圈所需调节的程度不同，从而揭示了应用涡 流对导电材料和零件进行检测的可能性。休斯以后的相当长时间内，涡流检测法 一直发展

11、缓慢。尽管在二十世纪二十年代屮期又出现了涡流测厚仪，第一台涡流 探伤仪(用于检验焊接钢管质量)也于1935年研制成功，但是，直到第二次世界 大战期间，德国和美w等少数w家的研宂单位和大型企业才开始应用少量实用化的涡流检测设备。例如，1942年， 德国的某航空工厂借助于西普研制的仪器对进厂的铝、镁合金管材和棒材进行 100%的自动化检查。这一时期由于理论上的局限性，抑制各种实验参数对涡流 检测的影响还未找到有效的方法，因而，没有从根本上取得有成效的突破和改进。 1950 一-1954年，德国的福斯特(foerster)博士发表了一系列论文，其中包括消 除涡流仪中某些干扰因素的理论和试验结果，开启

12、了现代涡流检测方法和设备的研宄工作。从此，涡流检测技术得到较快的发展并为生产检验所采纳。近年來，涡流检测技术已经成为几种无损检测技术屮的一个重要组成部分。六十年代初我国少数单位开始对涡流检测技术进行基本理论和应用技术的研宄， 制成了用于探伤、材质分选、测厚等各种用途的涡流检测设备，成立了涡流仪器 生产的专业工厂，在航空航天、冶金、机械、化工、轻工等许多工业部门，涡流 检测技术的应用己同益增多并円趋成熟。近年来，我国以清华大学和南京航空航 天大学为代表的大专院校和科研单位，在人工祌经网络技术和三维缺陷阻抗图的 研宄方面取得了很大进展。在现代社会，信息技术是由传感器技术、计算机技术 和通信技术组成

13、的。它们共同承担信息采集、处理和传输任务。随着电子技术， 尤其是计算机技术和信息理论的飞速发展，涡流检测技术受到深刻的影响并展现 出新的前景。从涡流检测仪器的发展历程来看，可分为五代产品。第一代产品是 以分立元件为基础，采用简单谐振方式的一维显示模拟仪器，只有一种检测频率; 第二代产品是以阻抗平而分析法为基础，部分采用集成电路技术的二维显示模拟 检测仪器，检测时可以选用不同的激励频率以适应不同检测材料的要求；第三代 产品是多频涡流仪，检测时对探头同时施加w个或两个以上不同的检测频率，利 用不同频率下被检金属材料反射阻抗不同的原理，提高了对材料特性或缺陷的检 测能力，并通过混频处理抑制干扰信号，

14、达到去伪存真的目的；第四代产品是以 计算机技术为基础的智能化、数字化产品，其特点是能够大大简化操作，提高检 测效率和数据处理能力，并具备频谱分析、涡流成像等功能；第五代产品是dsp 技术、阵列技术、多通道技术、通信传输技术及其他无损检测技术相互融合为一 体的多功能仪器，它能够对缺陷进行检测、分析、判断，并通过对其他技术的辅 助检测，验证其结果的正确性。因此，可以说第五代产品是当代最先进的电子信 息技术之集成，是电磁检测技术的一大飞跃。在涡流检测技术的发展过程屮出现 以下几种新的技术方向：1. 多频涡流检测技术和脉冲技术2. 远场涡流检测技术3. 涡流阵列测试技术4. 磁光/涡流成像检测技术1.

15、2课题研究方案及研宄意义本次课题是通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究、优 化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。接着对改善电涡流位移 传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题进行了设想。步骤如下：1. 对电涡流位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈 截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响。2. 从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量 程打下基础。3. 对电涡流传感器测位移实验所得的数据进行分析处理得出解决量程扩展和非 线性问题。最后一部分是本次做毕业设计期间对检测技术实验室csy-2000d型传

16、感 器检测技术试验台的维修进行记录。2电涡流传感器的原理及应用电涡流传感器具有结构简单一、频率响应快、灵敏度高、体积小等优点，其应用已非常广泛，本节将会对其工作原理机应用进行介绍。2.1电涡流传感器的简介2.1.1传感器构成及电涡流传感器的工作原理传感器构成框图如下图2-1:被测量非电量电参量电量敏感元件 传感元件 > 测量电路 :图（2-1）根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1吋，线圈 周围空间必然产生正弦交变磁场h1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产 生感应电流，即电涡流，如图2-2屮所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变 磁场h2; h2与h1方向相反

17、，并力图削弱h1,从而导致探头线圈的等效电阻相 应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率p，磁导率u，线圈与 金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的 一个，而其余参数保持不变，则阻抗z就成为这个变化参数的单值函数，从而确阁(2-2)电涡流工作原理 2.1.2电涡流传感器等效电路分析为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电 流，这样就可以得到如阁2-3所示的等效电路。liml2图(2-3)电涡流传感器等效电路图中r1, l1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路 线圈，其中r2, l2为被测导体的电阻和电感。探头

18、线圈和导体之间存在一个互 感m，它随线圈与导体间距离的减小而增大。u1为激励电压，根据基尔霍夫电 压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：r /?2/2 + ja)l2i2 - jcomi, = 0(2-1)、/?,?! + jd - jcomi2 =u'经求解方程组，可得1和12表达式：(2-2)o)l2 mco2l2i + ja)mr山由此可得传感器线圈的等效阻抗为:八m2/?22 + 2)2a)2m2r22 + d)2col 1(2-3)从而得到探头线圈等效电阻和电感通过式(2-4)的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生

19、了变化，这种变化称为反射阻抗 作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中 产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。l = l-v+，)2orm1/?2(2-4)l2因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗z表示成如下一个简单的函数关系：、本函数关系是一个多自变量的函数关系，虽然本函数关系为多自变量，但仍然非常适用，在生产产品的过程中所使用的数据是实验中得出的数据。其中，x为检测距离；u为被测体磁导率；p为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻 抗z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中

20、，有通过测量!_或az 等来测量x，p，p ,f的变化的电路。2.2电涡流传感器的应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科 研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷 却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、 偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。可测 量内容如下：金属元件合格测量换向片测量裂痕测量轴承测量非导电材料厚度测量表面不平整度测量转速测量差动测量振动测量轴心轨迹测量胀差测量偏心测量等。3电涡流传感器试验电路设计位移的测量方式所涉及的范围是和当广泛的，一般来说小位移的测量通常有 应变式、电感式

21、、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器等方法来检测，大的位移 常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量，由于电磁测量方法能直 接输出电信号，方便转化，易于控制，所以应用的最为广泛。电涡流传感器就属 于电磁法的一种，结构简单，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，可实现非接触 测量受介质。与接触式测量传感器相比，非接触测量的方法由于不接触可以减少 磨损；与其他类型的位移传感器相比较，电涡流位移传感器具有长期工作可靠性 好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、不受油污影响、结构简单 等优点。3.1电涡流传感器侧位移电路原理1）电涡流传感器测量电路图（3.1.1）电涡流传感器安装示意图+ 15

22、v图（3.1.2）电涡流位移传感器实验电路2）电涡流传感器侧位移实验基本原理通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电 磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状， 故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电 流频率及线圈与金属体表面的距离x等参数有关。电涡流的产生必然要消耗 一部分磁场能量，从而改变磁线线圈阻抗，涡流传感器就是棊于这种涡流效 应制成的。电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈 与金属以表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。3.2数据处理1 .根据电涡流传感器侧位移实验接线图接线2.

23、求取电压与位移的函数关系在这之前首先要对电压表进行校零，因为当电压表示数为零时，在理想状 态下测微头值应该为零，但实际测微头读数不为零，记下当前位移值（补偿值）， 在以后测量中，输出位移值都要进行补偿（即减去补偿位移值）就得到了理论位 移。“电压（测量值）”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值；“位移（理 论值）”用来表示补偿后的位移值。电压表校零后，调节测微头使被测体与传感 器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20v档，检查接线无误后开启住机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，记录十个数据，绘出电 压与位移的函数图形。分别在侧每瞞0. 5mm、1mm、2mm读一个数

24、的十组数据。x(mm)00. 10.20.30.40.50.60.70.80.9v(v)00.070. 160.250. 340.440.540.660.760. 87表x(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04. 5v (v)00.430.961.592.283.033. 804.575. 336.03表x(mm) 0123456789v（v）00.972.273.795.336.707.808. 659.319.80表x (mm)024681012141618v (v)02.265.297. 779. 3210. 1810. 6610.6910. 6910.69246

25、fl 10121416 ib表函数图屮曲线1力理想曲线，曲线2力数据表所对应的函数曲线。对每组数据进行分析并和其所对应的函数曲线进行验证，经过四组之间 的对比分析得出结论：传感器所测位移的线性范围在1.25mm-2.08mm 之间，而传感器的外径为6.25mm。3.3实验所得结论的应用整合描述由实验数据和v-x曲线分析得到：由于电涡流效应的特性，传感器的线性 量程很小，一般传感器的线性量程只有传感器探头外径的1/3-1/5。4设想对改善电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题进行了 设想。具体如下：4.1对电涡流传感器测量范围小和非线性问题改善的设想对电涡流位移传感器用于位移检测

26、的工作原理及应用进行分析，研究了 线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响。4.1.1检测线圈的选择电涡流位移传感器的检测线圈是传感器的核心部分，它的各种参数，如形状， 内径，外径，厚度，以及缠绕用的材料都与传感器的性能参数有很大的关系。对于检测线圈的参数的选择，我们总结前人研究成果，可以得出以下几点：1）从形状对比：线圈截面面积对传感器性能有直接影响，不同截面的线圈产生 的集肤效应不同，对于用于位移量检测的电涡流传感器，圆柱线圈比矩形柱线圈 更适用；2）当线圈匝数密度相同时，线圈内径越小、外径越大、厚度越厚，传感器的灵 敏度就越高，线性范围越小。反之也成立；3）线圈匝数密

27、度对传感器性能影响较大，在相同的线圈几何参数下，线圈的匝数密度越大，传感器的灵敏度越高，线性范围越大；4）线圈截面形状对传感器性能产生重耍影响，其中倒梯形截面线圈磁场能量 损失最少，在相同的位置磁场强度变化梯度最大。根据以上总结前人的研宄，得出：漆包线的直径越小，线圈匝数密度越大， 而匝数越大，传感器的灵敏度就会越高，线性范围也越大。4.1.2检测线圈的机械结构设计电涡流传感器的检测线圈对传感器的性能有着很大的影响，因此在绕制线圈 的过程中，桐架材料的选择也是非常重要的。为了减少温漂和干扰，我们要求传 感器线圈的损耗小，热膨胀系数小，电性能好，因此在制作的时候多选用聚四氟 乙烯，陶瓷，聚酰亚胺

28、，碳化硼等材料；线圈的异线也是一个很重耍的因素，一 般采用高强度漆包铜线，如果要求更高，就要使用银线和银合金线，在高温条件 下使用可以用铼钨合金线。4.2电路设计的方向从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量 程打下基础。1）电涡流传感器的非线性问题在传统标定的过程中我们希望仪表的输入一输出关系具有直线特性，这样在 信号分析电路部分可以很简单的用一个相移电路和放大电路就让输出电压和位 移有一个很明确简单的对应关系。而且可以使传感器在测量范围内具有和同的灵 敏度。但实际上许多输入输出关系并不具有直线关系，这样会使测量电路复杂化。 由于实际测量的过程中，传感器的非线性性的

29、存在就给传感器的测量带来了两个 问题：1.输出曲线经过拟合使实际曲线失真，最后输出的结果与实际结果有较 大的误差；2.由于传感器线性度的限制，传感器最后的有效量程大大减小了，非 线性部分的结果将变成无效的结果。针对以上两个问题，设想结合虚拟仪器和 pc机提出了一种方法，改善以上的问题。2）传感器人工标定的误差问题传感器标定装置在制造的过程屮，仪器本身难免会存在微小误差；而工作人 员在目测读数时也会出现误差，因此传感器的测量结果和工作人员的自身素质有 关。作为传感器的标定人员，由于常年重复同的工作，体力和心理上都会出现疲 惫，这样也会产生统计误差。但如果使用虚拟仪器和pc机结合的方法则可有效 避

30、免这种情况的发生。4.3设想总结对电涡流位移传感器实际等效电路进行分析研究，通过实验找出电涡流位移 传感器的谐振频率，分析比较各种电涡流位移传感器信号转换电路，最后设计出 了一种稳定的电涡流传感器电路；对电涡流位移传感器进行动态的标定，克服之 前传统标定误差大的缺陷，对信号用matlab软件进行处理，扩展了传感器的测 量范围；采用虚拟仪器与pc机结合的方法解决传感器非线性性的存在所带来的 问题。采用上述设想设计电路可改善传感器的非线性和量程小的问题。5 csy-2000d型传感器检测实验技术台维修记录csy2000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振 动源、传感器、相应的实验

31、模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌、示波 器等组成。实验台主机箱可提供高稳定的±15v、±5v、+5v、±2v-±10v （步进可调）、+2v+24v （连续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频 振荡器）lkhzlokhz （连续可调）；低频信号源（低频振荡器）lllz30iiz （连续可调）；气压源020kpa （可调）；温度（转速）智能调节仪；计 算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数显表，漏 电保护开关等。由于做毕业设计时要经常用到实验台发现实验室的一些实验台的功能块 和模块是坏的，如：电压表、计时器、应变传感器实验模板和转动

32、源等。为 了使实验室的实验设备能在课堂实验中正常使用，对实验台的功能块和实验 模板进行维修并做了如下记录：1. 电压表功能块的维修检修步骤：1）观察电路板上的元件是否有明显的损坏，观察电路板接线是否有明显的 烧焦及断线、短接等现象。如有的话则进行维修，维修后检测所谓修电路是 否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。2）如无明显故障，则需使用万用表对电路板接线进行线路排查即排线。若 排线存在故障，则对其进行维修，直到所有线路排查接通无误，然后检测所 维修电路是否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。3）如排线后所有接线正常接通，则需对电路板上的所有元器件进行测量， 检测出损坏的元器件并进行更换。直到所有元器件检测无误后，检测所维修电路是否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。对断线进行焊接后检测电压表可正常使用，所以实验台2的故障为电路板 接线断线。实验台3电压表功能块损坏，经过对电路板接线的排线，发现接线正 常接通，对电路板上元器件的检测发现是晶体管内部损坏，因无法判断其型 号最终安装一块新电压表。2. 应变传感器实验模板的维修应变传感器