鎳鉻合金導線在電渦流位移傳感器中的應用*

藍 奇，馬伏花，農 正，尹彩流，陸貴方

（廣西民族大學摩擦材料研究所，廣西南寧 530006）

0 引言

目前，在非接觸式位移測量中，普遍采用電渦流位移傳感器，該傳感器具有測量距離大、靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等特點［1］。典型的電渦流位移傳感器由探頭、延伸電纜、前置器及被測體組成［2］，其中，探頭由骨架和繞制在其上的探頭線圈構成。探頭線圈的材料與結構參數對傳感器的測量精度、測量范圍等具有重要影響［3］，通常采用的線圈為銅質漆包線，但是銅線圈的溫度穩定性不好，抗腐蝕能力差［4～6］。本文采用具有高強度和抗腐蝕性的鎳鉻合金導線為線圈，將導線繞制在陶瓷骨架上構成傳感器探頭，結合電源模塊、放大模塊和顯示模塊，設計制作了電渦流位移傳感器。實驗結果表明:該傳感器具有結構簡單、抗干擾能力強和測量精度較高等特點。

1 電渦流傳感器的工作原理

1.1 渦流效應

圖1 電渦流傳感器工作原理Fig 1 Working principle of eddy current sensor

1.2 電渦流傳感器等效電路

為了便于分析，把被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環，金屬導體與傳感器線圈之間存在耦合關系，它們之間可畫出如圖2所示的等效電路圖。

圖中，R1，L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，R2，L2為短路環的等效電阻和電感，M為線圈與導體之間的互感系數為激勵電壓。根據基爾霍夫定律，可列出如下方程

圖2 電渦流傳感器等效電路圖Fig 2 Equivalent circuit of eddy current sensor

式中 ω為線圈激磁電流角頻率。解此方程組可求得傳感器線圈受電渦流影響后的等效阻抗Z為

由此可見，被測金屬導體的電阻率ρ、磁導率μ，線圈與被測導體的距離x，以及線圈激勵電流的角頻率ω等參數都將通過渦流效應和磁效應與線圈阻抗Z有關。可表示為Z=F（x，μ，ρ，ω，…），如果只改變上述參數中的一個，而其余參數保持不變，則阻抗Z就成為這個變化參數的單值函數，從而確定該參數的大小。

在本設計中，保持其它參數不變，只改變線圈與被測金屬導體的距離，通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，實現對位移參數x的測量。

2 傳感器總體設計

傳感器主要由穩壓電源、信號源、渦流探頭、檢測處理電路和單片機顯示等部分組成。其組成框圖如圖3所示。

圖3 傳感器組成框圖Fig 3 Block diagram of sensor composition

2.1 信號源

信號頻率及其穩定性對檢測效果的影響非常大，一般來說，若振蕩器頻率變化1%，輸出變化大約在10%以上，因此，設計一個輸出頻率穩定的振蕩器是很重要的。本文采用函數輸生器發出標準正弦信號，經恒流源放大電路后，供給探頭線圈。

2.2 渦流探頭

正確地選擇渦流線圈材料、參數和合理地制作能提高位移傳感器的線性范圍與靈敏度［7］。采用電阻溫度系數為-10×10-6/℃，線徑為0.6 mm的鎳鉻合金導線在陶瓷骨架制成渦流探頭。被測金屬導體為45號鋼，直徑為200 mm，厚度為20 mm。通過多次實驗測試，得出傳感器線圈的最優結構參數為線圈內徑、外徑、厚度分別為28，35，1.8 mm。

2.3 直流穩壓電源

本設計將要用到+12，-12，+5 V直流電源。直流穩壓電源是將220V交流轉換成穩壓輸出的直流電壓裝置，分為變壓、整流、濾波、穩壓4個環節。

選用7805制作5 V直流電源，如圖4所示，220 V交流經過變壓器后，在經過一個整流橋，采用2只330μF和2只0.1μF電容器構成，則輸出端輸出穩壓+5 V。7805前端的330 μF和 0.1 μF 電容器起濾波作用，7805 后端的 330 μF 和0.1 μF電容器起穩壓作用。

圖4 5 V電源電路圖Fig 4 5 V power supply circuit

選用7812，7912制作±12 V直流電源，如圖5所示，電路是用橋式整流、電容濾波、三端集成穩壓器7812和7912，470 μF和220 μF組成的具有±12 V輸出的直流穩壓電源。其中，470μF 和0.1 μF 用來濾波，220 μF 和 0.1 μF 用來穩壓。

圖5 12 V電源電路圖Fig 5 12 V power supply circuit

2.4 放大器電路

采用LM324制作一個雙電源放大器，具體需要的器件有1 kΩ電阻器、精密可調電阻器和一個四運算放大器LM324芯片，如圖6所示。

LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝，內部有4個運算放大器，有相位補償電路，電路功耗很小，LM324工作電壓范圍寬，可用正電源3～30 V，或正負雙電源 ±1.5～ ±15 V工作。

2.5 液晶顯示電路設計

采用STC12C5A32S2單片機與1602液晶顯示模塊構成顯示部分，具體電路圖如圖7所示。

圖6 放大電路圖Fig 6 Circuit of amplifier

圖7 液晶顯示電路圖Fig 7 Circuit of LCD display

放大器放大后的信號通過接口輸入到單片機中，經過A/D轉換將變化的電壓量轉換為變化的相對位移量，并通過液晶顯示模塊顯示出來。

3 測試結果

渦流探頭固定于高精度位移標定器上，將被測金屬導體固定在工作臺上。選定信號源頻率，調節位移標定器，改變探頭與被測導體之間的距離，步長為1 mm，記錄輸出電壓數值。調整激勵信號頻率，通過多次實驗發現，電壓值與位移呈遞增關系，當渦流探頭與被測金屬導體越遠時，電壓值就越大。圖8為當激勵頻率為150 kHz時，輸出電壓與位移之間的關系。

圖8 輸出電壓與位移之間的關系Fig 8 Relationship between output voltage and displacement

4 結束語

以鎳鉻合金導線為渦流線圈材料，設計制作了電渦流位移傳感器，通過實驗發現，該傳感器具有結構簡單、工作性能穩定、重復性好、抗干擾能力較強等特點，線性范圍為0～11 mm。

［1］譚祖根，陳守川.電渦流傳感器的基本原理分析與參數選擇［J］.儀器儀表學報，1980（l）:113-122.

［2］昌學年，姚 毅，閆 玲.位移傳感器的發展及研究［J］.計量與測試技術，2009，36（9）:42-44.

［3］王現軍，宋豫全，杜保強.電渦流傳感器溫度漂移綜合補償［J］.傳感器技術，2004，23（2）:53-55.

［4］Stoll R L.The analysis of eddy currents［M］.Oxford:Oxford University Press，1974:15.

［5］Grmberg R，Savin A，Radu E.Eddy current sensor for non-destructive evaluation of metallic wires，bars and pipes［J］.Sensors and Actuators A，2000，81:224-226.

［6］王琴妹，潘再平.電渦流傳感器線圈充磁介質對抑制溫漂及測量性能的影響［J］.科技通報，2002，18（4）:295-298.

［7］TalCh Ch，Rose J H.Thickness and conductivity of metallic layers from pulsed eddy-current measurement［J］.Review of Scientific Instruments，1996，67（11）:3965-3972.

［8］吳正毅.測試技術與測試信號處理［M］.北京:清華大學出版社，2003.