電渦流傳感器的設計

伍艮常 株洲職業(yè)技術學院，湖南株洲 412001

電渦流傳感器的設計

伍艮常 株洲職業(yè)技術學院，湖南株洲 412001

針對傳統(tǒng)的接觸式測量技術在實際應用中的不足，介紹了一種新型的非接觸式測量儀表—電渦流傳感器的設計方案。該方案采用電渦流技術將非電量的位移信息轉化為電壓信號。通過對電渦流傳感器的結構和工作原理的分析，設計了各功能電路，介紹了關鍵器件，如振蕩管、運算放大器等的選型及主要參數(shù)的確定方法。實踐證明：采用這種電路制作的電渦流傳感器在對旋轉機械等進行位移測量時，大大提高了測量系統(tǒng)的測量精度和可靠性，以及安裝、調試的快速性。

電渦流傳感器；電容三點式振蕩器；對數(shù)運算電路；非線性補償；頻率穩(wěn)定度

引言

電渦流傳感器具有靈敏度高、分辨力高、線性度高、重復性好、結構簡單、抗干擾能力強、線性測量范圍寬、安裝方便、非接觸測量、耐高溫、能在油、汽、水等惡劣環(huán)境下長期連續(xù)工作的特點以及能夠實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制的優(yōu)勢，被廣泛應用于工業(yè)生產和科學研究等領域的位移、振動、偏心、脹差、厚度、轉速等物理量的在線檢測和安全保護，為精密診斷系統(tǒng)提供了全息動態(tài)特性。因而對于電渦流傳感器的研究有著深遠的理論和實踐意義。

目前，對電渦流傳感器的研究，主要集中在電磁學模型機理的研究、線圈幾何形狀的優(yōu)化設計、測量精度的提高、非線性的線性化和應用范圍的拓展等方面。本文提出了一種新型的電渦流傳感器設計方案，具有速度快、功耗低、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，并已廣泛應用于電力、石化、冶金、鋼鐵、航空航天等領域，取得了非常好的效果，得到了用戶的一致好評。

1 電渦流傳感器的基本工作原理[1-2]

電渦流傳感器的基本工作原理是基于電渦流效應。根據(jù)法拉第電磁感應定律可知：金屬導體置于變化的磁場中時，導體表面就會有感應電流產生。電流的流線在金屬導體內自行閉合，這種由電磁感應原理產生的旋渦狀感應電流稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應，電渦流傳感器就是利用電渦流效應來檢測導電物體的各種物理參數(shù)的。如圖1所示。

理論和實踐均證明:電渦流的大小與導體的磁導率ξ、電導率σ、線圈與導體之間的距離D、激勵電流強度I、激勵電流角頻率ω、線圈尺寸因子等參數(shù)有關。探頭線圈的阻抗Z是上述參數(shù)的函數(shù)，即Z=F(,ξ, σ, D, I,ω) 。

很顯然，如果只改變其中的某一參數(shù)，其他參數(shù)恒定，阻抗就成為該參數(shù)的單值函數(shù)。假設被測金屬導體材質均勻，且具有線性和各向同性的性能特點，我們可以控制,ξ, σ, I,ω這幾個參數(shù)在一定范圍內不變，則阻抗就成為距離的單值函數(shù)，再通過前置器電子線路的處理，將探頭線圈阻抗的變化，即探頭線圈與金屬導體之間的距離的變化轉化為電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的距離而變化，電渦流傳感器正是基于這樣的原理實現(xiàn)對位移、振動、脹差、偏心等的測量。

圖1 電渦流傳感器的工作原理

2 電渦流傳感器電路設計

2.1 測量電路的選擇[3-5]

電渦流傳感器的測量電路可分為調頻式和調幅式兩種，調幅式測量電路又可細分為恒定頻率的調幅式和頻率變化的調幅式兩種。

調幅式測量電路是指以輸出高頻信號的幅度來反映電渦流傳感器探頭與被測金屬導體之間的關系。其特點是:輸出可以被調理為直流電壓，而對直流電壓進行數(shù)據(jù)采集的速度快、時間短、可以降低功耗。

調頻式測量電路是指將探頭線圈的電感量與微調電容構成振蕩器，以振蕩器的頻率作為輸出量的一種轉換電路。其優(yōu)點是：電路結構簡單，抗干擾能力強，性能較穩(wěn)定，分辨率和精度高，易與計算機連接，頻率輸出便于數(shù)據(jù)采集和處理，成本較低。

在本設計中我們采用調幅式電路。

2.2 濾波、穩(wěn)壓、同相比例放大電路的設計

該部分電路的作用是消除直流電源中的交流成分以及電源電壓的波動所造成的影響。如圖2所示。

2.3 振蕩電路的設計[6]

電感三點式振蕩電路：由于反饋支路是電感，振蕩器的輸出波形中含有較多的高次諧波，且振蕩頻率不高，對本設計不適用，故不予采用。

電容三點式振蕩電路：由于輸出端和反饋支路均為電容，對高次諧波電抗小，反饋電壓中高次諧波分量很少，振蕩頻率穩(wěn)定度高，因而輸出波形好，更接近正弦波。振蕩頻率可以較高。符合本設計的要求，故采用。如圖3所示。

圖3 電容三點式振蕩電路

在本設計中，為了保證振蕩電路輸出信號的穩(wěn)定和可靠，我們采取了如下措施：

針對電源電壓的變化，在電源端添加了穩(wěn)壓環(huán)節(jié)；針對負載變化，在振蕩電路與負載之間插入了緩沖電路以屏蔽負載的影響；針對環(huán)境溫度變化，采用了溫度系數(shù)較小的元件，例如云母電容等；針對外界磁場會引起磁性材料磁導率的變化，影響傳感器線圈的渦流效應，將振蕩器密封在傳感器殼體內，起到屏蔽作用，可減少回路與外界發(fā)生的電磁耦合。

2.4 檢波、濾波電路的設計

檢波、濾波電路將電容三點式振蕩器的輸出信號，經(jīng)過檢波、濾波，將其轉換為直流信號。通過對電路的優(yōu)化設計，對元器件一致性的篩選以及電阻、電容參數(shù)的合理選配，使得該電路既能保證獨立線性指標的要求，又能滿足對動態(tài)響應時間指標的要求，同時還要盡可能降低直流信號輸出的交流噪聲。檢波、濾波電路如圖4所示。

2.5 對數(shù)運算電路的設計[7]

圖2 濾波、穩(wěn)壓、同相比例放大電路

采用對數(shù)運算電路對傳感器的非線性段進行線性化補償，在保證測量精度要求的前提下，最大限度地擴大傳感器的測量范圍。本對數(shù)運算放大電路采用的運算放大器、電阻和二極管，都是非常基本的電子元器件，相對于其他復雜的芯片，具有很好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此該電路在高溫環(huán)境長時間使用可以保持優(yōu)良的矯正性能，可靠性好。

對數(shù)運算電路的工作原理主要是基于二極管的非線性伏安特性，伏安特性曲線在輸入（橫軸方向）逐漸增大時，輸出（縱軸方向）的變化率不斷增大，這種曲線類似指數(shù)運算。指數(shù)運算與對數(shù)運算互為逆運算，使得該電路的輸出和輸入之間滿足對數(shù)的函數(shù)關系。對數(shù)運算放大電路如圖5所示。

圖5 對數(shù)運算放大電路

2.6 放大、遷移、濾波電路的設計

該部分電路的作用是對檢波、濾波、線性化處理后的直流信號進行信號的遷移、放大、再濾波處理，確保傳感器處于最佳線性工作區(qū)間，確保輸出形式符合技術指標要求，確保信號的交流噪聲控制在最低程度，確保傳感器輸出信號穩(wěn)定、可靠。由于電渦流傳感器的供電電源僅為24V，電壓過低，以及由位移量轉化而成的電信號變化緩慢且非周期性和比較微弱的特點，致使傳感器的電容三點式振蕩器的輸出信號以及經(jīng)過檢波、濾波、線性化處理后的直流信號幅度也很低，為保證傳感器的信號輸出符合技術指標要求,需在信號的遷移、放大、濾波環(huán)節(jié)加以放大處理。放大、遷移、濾波電路如圖6所示。

3 線圈的設計

線圈是電渦流傳感器的一個非常重要的元件，其尺寸和形狀直接關系到傳感器的靈敏度和測量范圍；其材料和線徑的選擇也很關鍵；本設計為了縮短設計時間和提高精確度，借助了計算機進行輔助設計，求得了一組比較合理的參數(shù)。限于篇幅，不展開討論。

4 關鍵技術

4.1 電容三點式振蕩電路的設計

這是一個同時具有深度負反饋和自舉反饋的電容三點式振蕩電路，圖中的L就是傳感器線圈的電感，其特點是該電路容易起振，靈敏度高，穩(wěn)定性好，時漂小，輸出幅值大。

采用電容三點式振蕩電路，可提高整個系統(tǒng)的可靠性及控制精度。為了保證此項關鍵技術的實現(xiàn)，采用了以下方法和措施：

1）為了減小電源引起的頻率漂移，在原電源前添加一穩(wěn)壓環(huán)節(jié),使電路工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，從而改善了對其頻率的影響。2）晶體管發(fā)射結電阻Rbe和發(fā)射結電容Cbe對頻率穩(wěn)定度的影響很大，其中后者影響更大，在振蕩電路中引入C2、C3便是為了減小發(fā)射結電阻R b e和發(fā)射結電容Cbe對頻率穩(wěn)定度的影響。3）為了減小電路的負載效應，增大品質因數(shù)Q以及使諧波的失真系數(shù)減小，設計了一個射極跟隨器。4）為了提高頻率穩(wěn)定度，便要提高電感L和電容C的穩(wěn)定性（主要是溫度穩(wěn)定性），電感L的穩(wěn)定性主要取決于材料和工藝，電容C的穩(wěn)定性主要取決于材料，一般選用瓷介或云母電容，這種電容損耗小，電容量穩(wěn)定性高，并具有多種低溫度系數(shù)，適用于諧振回路和需要補償溫度效應的電路中。

4.2 對數(shù)運算電路的設計

對數(shù)運算電路是指輸出和輸入之間滿足對數(shù)函數(shù)關系的電路，本設計中對數(shù)運算電路主要用于對傳感器的非線性段進行線性化補償，在保證測量精度要求的前提下，最大限度地擴大電渦流傳感器的量程。在設計中始終堅持簡單、明了、夠用的原則，本對數(shù)運算放大電路設計采用的是運算放大器、電阻和二極管，它們都是非常基本的電子元器件，相對于其他復雜的芯片，具有很好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此該電路可以在高溫環(huán)境下長時間工作，可靠性好。因此也從根本上保證了電渦流傳感器的工作可靠性。

5 結束語

本文對電渦流傳感器的工作原理和電路設計進行了比較詳細的介紹，依照本設計生產的電渦流傳感器具有體積小、重量輕、抗振動、抗沖擊、耐高低溫等優(yōu)點，在油田、礦山、電廠、鋼廠等領域得到了廣泛的應用，贏得了用戶一致好評。理論和實踐均證明本設計科學、合理，具有一定的推廣應用價值。

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TP212

B

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.076

伍艮常（1963—），男，湖南省寧鄉(xiāng)人，研究員級高級工程師，主要研究方向為電氣控制技術，電氣測量技術及其儀器。