新型位移電渦流傳感器設計

摘 要： 電渦流傳感器具有對介質不敏感、非接觸、全方位智能測量等特點，廣泛應用于對金屬的距離檢測中。為提高普通電渦流傳感器的靈敏度和增大檢測距離，設計了一種新型非接觸寬線性范圍的位移電渦流傳感器。實驗結果表明，當電渦流傳感器的探頭直徑為50 mm時，測量位移在2～29.5 mm之間線性度較好，在0～2 mm和29.5～35 mm中存在一定的非線性。

關鍵詞： 電渦流傳感器； 探頭； 測量電路； 非接觸測量

中圖分類號： TN911?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0140?03

0 引 言

電渦流位移傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質的影響，常被用于對大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數進行長期實時監測。其可以分析出設備的工作狀況和故障原因，有效地對設備進行保護及進行預測性維修。從轉子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉機械的運行狀態主要取決于其核心——轉軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉軸的各種運行狀態，測量結果可靠、可信。本文主要針對電渦流傳感器對金屬的探測距離小，而在某些場合可能需要遠距離金屬探測的這種情況。本文設計了一種新型非接觸寬線性范圍的電渦流傳感器，能提高電渦流傳感器的靈敏度和檢測距離。

1 電渦流傳感器測距原理

圖1所示為電渦流測距原理圖。在圖1中，當傳感器頭部線圈充有電流I時，在頭部線圈中心附近就會產生磁場H1。由電磁場理論可知，當磁場H1附近沒有金屬或遠離金屬時，則發射的磁場能量就會釋放；反之，則金屬的表面將會在H1中感應產生渦流電場，該電場同樣也會產生交變磁場H2，方向與H1相反。在H2的驅動下，傳感器頭部線圈電流I的幅度大小和相位就會不斷變化改變，即線圈的有效阻抗會發生變化。這種變化的大小與傳感器頭部線圈到金屬導體的距離等參數有關[1?3]。

在實際設計中，線圈密封于探頭中，線圈阻抗的變化通過如圖2所示的電子線路將其轉換成一定量的電流或電壓輸出。晶體管T與電容[C1]，[C2]和探頭線圈[L]構成電容三點式振蕩器，振蕩器的輸出的電壓幅度[Ux]與線圈阻抗成比例，因此改變被測金屬與探頭間距[d]，振蕩器輸出的振蕩幅度[Ux]就會與探測間距[d]成近似成比例變化。[Ux]經檢波、濾波、放大和非線性校正后輸出電壓 [1?3][Uo]。

2 電渦流傳感器設計

2.1 探頭的設計

對電渦流傳感器而言，探頭的設計比較關鍵。探頭典型結構見圖3所示，由頭部（頭部內嵌入線圈）、殼體、高頻電纜、高頻接頭組成。頭部直徑取決于其內部線圈直徑，線圈的直徑決定傳感器系統的基本性能—線性量程。

線圈是探頭的核心，它的線圈的物理尺寸和電氣參數設計對整個傳感器系統的敏感產生重要影響。傳統的傳感器線圈設計手工繞制多個，然后對多個線圈逐個反復測試，從而求得最佳的線圈尺寸參數。現在，可借助計算機利用輔助設計軟件將探頭設計所需參數輸入，傳感器的輸出電壓隨探測間距[d]的變化就可以計算得出，這樣大大縮短了設計時間[3?5]。

2.2 振蕩、整流濾波、放大和電壓/電流轉換器電路設計

本文所設計的電渦流傳感器振蕩、整流濾波和放大電路如圖4（a）所示。晶體管T1 、電容[C2]，[C3]、探頭線圈和運放A1A組成正反饋振蕩電路，其諧振頻率為[12πLC]。本文采用調幅法，當探頭線圈遠離被測金屬時，[LC]并聯諧振回路的諧振頻率為[12πLC]，當探頭線圈接近被測金屬時，線圈的等效感抗發生變化，致使回路失諧而偏離諧振頻率，振蕩器輸出的振蕩幅度相應減小，使輸出電壓也減小，所以，輸出電壓與測量距離建立起函數關系，即[Uo=f（d）]。

圖4（a）中，二極管D1和電容C4，R7，C5構成整流濾波電路。整流濾波的作用是將高頻電壓信號轉換成直流電壓。運算放大器A1B完成對前級輸出的直流電壓信號的放大和調零作用。

其中調零電路是為了保證測量為零時，輸出電壓也為零，以免產生輸出誤差。該電路需要6.8 V的直流基準電源，由圖4（b）電路來完成。

圖5是一個由運算放大器構成的電壓/電流轉換器，通過簡單計算可得輸出電流和輸入電壓之間的關系：[Io=Vo100×120300]，這樣就實現了傳感器的電流輸出。

3 實驗結果

在+24電源供電，負載為10 kΩ，被測試件材料為40CrMo，環境溫度20 ℃的測試條件下，對所設計探頭直徑為25 mm和50 mm的電渦流傳感器進行測量，所測結果如表1所示。

4 討 論

4.1 被測體尺寸與材料的對測量的影響

在測量過程中，被測金屬導體的磁導率[μ]、電導率[σ]、尺寸因子[r]介對測量也有影響，因此除了探頭、前置器、延伸電纜決定傳感器系統的性能外，被測體的性能參數也對整個傳感器系統的性能產生影響，如被測體表面的直徑大小對測量有影響。一般地，為使測量更準確，當被測體表面為平面時，被測面應為探頭頭部直徑的1.5倍以上為宜；當被測體為圓軸時，被測軸徑應為探頭頭部直徑的3倍以上為宜。被測體的厚度對測量結果也會產生影響。因此如果被測體厚度不夠使傳感器的靈敏度就會下降，通常鋼等導磁厚度大于0.1 mm以上，銅、鋁等弱導磁材料厚度大于0.6 mm以上的則不會影響測量的靈敏度[6?8]。

4.2 不規則被測體表面對測量的影響

在振動測量中不規則被測體表面會給實際的測量值造成誤差，這些不規則被測體表面包括表面存在洞眼、刻痕等缺陷。如果被測面表面粗糙度較高，可以現對被測面進行衍磨或拋光后再測量，這樣準確度就會明顯提高（一般表面粗糙度Ra不超過0.8～1.6 μm）。

5 結 語

實驗結果可看出：所設計的電渦流位移傳感器，測量位移線性范圍寬。在探頭直徑為50 mm時，電渦流傳感器的線性度在2～29.5 mm之間，在29.5～35 mm和0～2 mm中存在一定的非線性誤差，如果在上位機軟件中采用線性校正可以進一步提高測量范圍。

參考文獻

[1] 白志峰.磁軸承用位移傳感器的研究[D].青島：山東科技大學，2005.

[2] 王鵬，司書甲，丁天懷，等.曲面間隙測量電渦流傳感器探頭的熱效應研究[J].兵工學報，2009，30（8）：1094?1097.

[3] 肖圣光.基于虛擬儀器的軸心軌跡分析儀的研制[D].重慶：重慶大學，2009.

[4] 呂冰.機床主軸組件振動檢測與評估技術研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

[5] 楊理踐，劉佳欣，高松巍，等.大位移電渦流傳感器的設計[J]. 儀表技術與傳感器，2009，33（2）：11?15.

[6] 孫傳余.新型低功耗永磁偏置混合磁軸承的研究[D].青島：山東科技大學，2010.

[7] 吳相楠，李隴杰，張冰，等.基于電渦流傳感器的金屬材料表面形貌三維可視化檢測[J].傳感技術學報，2012，25（3）：370?373.

[8] 司倩倩，董力群，張連凱.線圈材料對電渦流傳感器溫漂特性影響研究[J].傳感器世界，2011（5）：26?31.