电涡流位移检测系统的设计

电涡流位移检测系统的设计

近年来，沟槽检测技术在建筑、冶金、工程、动力系统等领域得到了广泛应用，电漩涡用于检测位移、振动、厚度、裂缝和损伤。目前,对涡流传感技术的研究主要集中在电磁学模型的简化、工作机理的研究、后续处理电路的设计和基于有限元法和计算机技术的数值计算与分析,但是有关线圈—导体系统内部参数(包括导体尺寸、激励电压、线圈运动速度、导体温度)对电涡流强度、测量精度以及灵敏度等影响的研究并不是很多,而这些问题的研究对提高电涡流检测性能具有非常重要的意义。在造纸、纺织、皮革加工等行业,由于不同的工艺要求,需要更换不同规格的定型干燥设备,例如烘缸大小、外层纹路等,同时,需要精确控制加热线圈与烘缸之间的距离,以满足产品的质量要求。在以往的控制中,大部分采用行程开关或霍尔开关来控制线圈的位置,该方法虽然控制简单但抗干扰能力不强、控制精度低、使用寿命短。因此,在利用电涡流感应加热的基础上,进一步利用电涡流与位移的关系对加热设备的位置进行控制。1金属导电圈的等效电路当线圈通有交变电流时,在其周围形成交变的磁场H1,而当金属导体处在该交变磁场中时又会产生感应电流,这种电流的流线在金属体内自行闭合,通常就称它为电涡流,电涡流作用原理如图1所示。根据楞次定律,被测体上的电涡流场也产生交变磁场H2,且H2的方向与H1相反,则H2的反作用使线圈中的电流大小和相位都将发生变化,从而使产生磁场的线圈的等效电感、等效阻抗以及品质因数发生变化。线圈阻抗的变化同时与电涡流效应和静磁学效应有关,即与金属导体的磁导率、电导率、几何形状、线圈的几何参数,激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。假定金属导体是均质的,其性能是线性和各向同性的,则线圈—金属导体系统的物理性质通常可由磁导率、电导率ρ、尺寸因子γ、温度t、距离x、激励电流I和频率ω等参数来描述,线圈的阻抗Z可用如下函数表示:Z=F(μ,ρ,γ,x.t,I,ω)(1)Ζ=F(μ,ρ,γ,x.t,Ι,ω)(1)假设、ρ、γ、x、t、ω不变,则Z为线圈与被测导体距离x的单值函数。由于导体中的电涡流难以直接测量,但可通过测量涡流产生的磁场使原线圈的Z的变化来测量距离x,再将Z的变化通过测量电路转化成电压信号。为了方便起见,将激励线圈作用下的导体形成的涡流看作单匝电流环,简称涡流短路环,等效电路图如图2,图中R1和L1为线圈的直流电阻和电感,R2和L2为金属导体的电阻和电感,U˙U˙为激励电压,M为线圈与导体之间的互感系数,且随着二者间距x的缩短而增大。根据克希霍夫平衡方程式可得到线圈受金属导体影响后的等效阻抗为:线圈品质因素为:Q=ωLR=Q01−L2L1ω2M2Z221+R2R1ω2M2Z22(3)Q=ωLR=Q01-L2L1ω2Μ2Ζ221+R2R1ω2Μ2Ζ22(3)式中,Q0=ωL1R1Q0=ωL1R1—无涡流影响下线圈的Q值;Z2222=R2222+ω2L2222—金属导体中产生涡流环的阻抗。由于电涡流的作用,线圈阻抗由原来的Z0=R1+jωL1变成Z。在金属导体上流动的电涡流必然产生热量而消耗能量,即线圈阻抗的实数部分是在增加的,而且,金属导体上流动的电涡流性能和导体离线圈的距离将直接影响这实数部分的大小。式(2)中的第二项与电涡流效应有关,电涡流产生一与原磁场方向相反的磁场并由此减小线圈的电感,间距x越小,电感的减小程度就越大。2激励信号电路和干扰检测电路2.1负载电路原理激励信号电源直接应用电磁感应加热电源系统。按照逆变电路和负载电路拓扑结构的不同,感应电源主要分为:“并联谐振型感应电源”和“串联谐振型感应电源”两种。本系统采用了结构和控制都相对简单、并且不需要可控整流的“串联型”电磁感应电源结构,其主电路原理如图3所示。图3中,A区域为整流变换电路,是晶闸管组成的三相桥式电路,它将工频交流电ue整流成脉动的直流电,一般采用不可控制整流,即整流电压不可调节。B区域为直流中间电路,由一个滤波电感和滤波储能电容组成,具有把50Hz工频网络和中频网络隔开的功能。由于电容很大,电路两端基本上是平滑的直流电压,用ud表示,此电压是在逆变电路C工作之前电容器所储能而建立的电压,这样以便于启动逆变电路。图中C为单相桥式串联逆变电路,它将直流电压ud逆变为中频方波电压u0,并加载到负载电路D。负载电路D由感应器和电容器组成的串联振荡电路。中频电压u0中含有明显的基波和谐波成分:接近谐振频率的基波电压加到串联振荡电路时,振荡电路呈现很小的阻抗,所以方波电压加到串联振荡电路时,感应器负载电流I0实际上接近于正弦波。2.2放大电路ac检测电路分为整流电路A、分压电路B和放大电路C。利用互感器对线圈回路的电压进行取样、压缩,并作为检测电路的输入UAC。UAC经过整流电路A变换成直流电压,该电压经分压电路B分压后进入放大电路C。放大的电压值转化成4～20mA标准电流信号输入到PLC,微机系统则对从PLC采集到的标准电流信号进行滤波、线性变换处理得到线圈输出电压值。在线采集相关参数数值,包括线圈输出电压值、线圈距导体距离、导体温度,从而绘出线圈输出电压与各参数之间的曲线图。3装线系统的组成本文采用的是圆柱形金属导体,激励线圈为矩形线圈,大小为1.8m×0.25m,线圈匝数为13匝,在该线圈—导体系统中,线圈处于运动状态,导体静止。3.1不同导电尺寸下涡流大小的变化测量条件:激励电压U0=120V,频率20kHz,线圈运动速度为v=0.6mm/s,导体温度为t=15℃,考察导体尺寸对涡流大小的影响。图5(a)为不同导体尺寸下,线圈电压U与距离X的关系;图5(b)为不同距离下,线圈电压U与导体直径D的关系。由图可知,相同距离下,导体直径越大,线圈电压越小,即导体内产生的电涡流越大。这是因为导体直径越大,处于线圈交变磁场下的面积也越大,从而在导体表面以及内部形成更多的涡流回路而消耗更多的磁场能。由图5(b)可看出,涡流大小与导体尺寸近似成线性变化关系。3.2临界距离点的影响测量条件:导体直径D=147mm,激励电流频率20kHz,线圈运动速度为v=0.6mm/s,导体温度为t=15℃,考察激励电压对涡流大小的影响。当线圈与导体之间的距离达到某一值时,导体产生的涡流值很小,很小的涡流值对原线圈几乎没有影响,则称该距离为临界距离点。由图6可知,激励电压越大,U-X曲线越陡,且临界距离点出现得越早。也就是说,激励电压较大时,灵敏度较高但测量范围较窄;激励电压较小时,灵敏度较低但测量范围较宽。因此,检测位移过程中,在选择线圈激励电压时,若要求测量灵敏度高则选择较高激励电压,反之,若要求测量距离变化较宽则选择较低激励电压。3.3圈运动速度对涡流大小的影响测量条件:导体直径D=147mm,激励电压U0=120V,频率20kHz,滚筒温度为t=15℃,考察线圈运动速度对涡流大小的影响。由图可知,线圈运动速度对涡流大小几乎没有影响,当距离小于某一值(图中为50mm左右)时,不同速度的U-X曲线基本重合,大于该值后,曲线才开始分开。因此,利用涡流效应测量位移过程中,特别是在较短距离内,线圈运动快慢并不影响测量结果。3.4温度对圈所具有的关于测量条件:导体直径分别为D=135mm、145mm,激励电压U0=120V,频率20kHz,线圈静止于距导体70mm处,导体处于热平衡状态,考察导体温度对涡流大小的影响。首先,向线圈输入较高电压,利用电磁感应效应将导体加热到153℃左右时,将激励电压降为120V,待导体自然冷却,并记录导体在降温过程中的导体温度—线圈电压曲线,如下图所示。由上图可以看出,导体温度与涡流大小之间的关系比较复杂,随着温度的变化,涡流波动性比较大。这是因为在高温差条件下,线圈—导体系统出现“交叉敏感”现象,即由于温度的影响,导致输出电压和线圈参数同时变化,输出电压随温度变化而发生漂移。线圈因集肤效应引起交流电阻R1在一定范围内与温度的关系为:R1=lSα42ωμrμ0ρ0(1+αt)−−−−−−−−−−−−−−√+14ρ0(1+αt)+332ρ30(1+αt)3πdμrμ0−−−−−−−√(4)R1=lSα42ωμrμ0ρ0(1+αt)+14ρ0(1+αt)+332ρ03(1+αt)3πdμrμ0(4)式中,l为导线长度;S为导线横截面积;ρ0为导线材料在0℃时的电阻率;α为导线材料电阻率的温度系数;t为温度;ω为线圈中的电流频率;μr为导线材料的相对磁导率;μ0为真空导磁率。由上式可看出,线圈电阻随温度的增加而增加。将式(2-3)对R1求导得:∂Q∂R1=(1−L2L1ω2M2R22+ω2L22)⋅R2ω2M2−R1R2ω2M2−R21(R22+ω2L22)R21(R22+ω2L22)(5)∂Q∂R1=(1-L2L1ω2Μ2R22+ω2L22)⋅R2ω2Μ2-R1R2ω2Μ2-R12(R22+ω2L22)R12(R22+ω2L22)(5)因此,只要满足Q>0,则必有∂Q∂R1<0∂Q∂R1<0。若R1随温度的变化越大,线圈的品质因数Q就降低,导致激励线圈的输出漂移增加,所以,即使在被测量条件不变的情况下,由于高温导致线圈的电阻值改变,从而使其等效阻抗及输出电压发生改变。因此,在利用电涡流测量位移、厚度、振幅等参数以及无损检测等过程