溫度對電渦流位移傳感器測試誤差影響分析*

劉 鋼, 張 磊, 羅 強

(1.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610039；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031)

0 引 言

電渦流位移傳感器具有體積小,靈敏度高,動態(tài)響應(yīng)快,非接觸測量等優(yōu)點,在土木領(lǐng)域的測試方面得到廣泛應(yīng)用。但由于該傳感器具有較強的溫度敏感性,測試環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致傳感器輸出結(jié)果產(chǎn)生漂移,從而引起測試誤差,難以滿足高精度高穩(wěn)定的測量要求。

為此已有許多學(xué)者做出了大量的研究。在傳感器線圈方面,如采用多股辮線補償[1],優(yōu)化傳感器的關(guān)聯(lián)參數(shù)[2]等。由于這些措施僅是增加了傳感器線圈的穩(wěn)定性,一定程度上能提高測量精度,但只能達到部分溫度補償?shù)哪康摹１粶y導(dǎo)體受溫度影響,導(dǎo)致其電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率發(fā)生改變,仍會引起輸出結(jié)果產(chǎn)生偏移。在同時考慮傳感器線圈與被測導(dǎo)體方面,文獻[3]提出傳感器線圈串聯(lián)負溫度系數(shù)(negative temperature coefficient,NTC)電阻并進行溫度—傳感器輸出電壓函數(shù)補償,提高了傳感器的溫度穩(wěn)定性,實用溫度范圍一般在0～85 ℃。在綜合考慮傳感器系統(tǒng)的各部件和材料方面,文獻[4,5]提出差動式補償方法,即利用只對溫度敏感的補償線圈與檢測線圈構(gòu)成差分電路,傳感器系統(tǒng)采用對稱硬件或?qū)ΨQ電路結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)參數(shù)受溫度的影響相互抵消。文獻[6]提出利用負反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)對溫度漂移的綜合補償。文獻[7]提出基于矩形域最小二乘曲面擬合算法進行溫度補償。這些方法都綜合考慮了電路中各項參數(shù)受溫度變化而引起的誤差,但晝夜溫差的影響仍會使傳感器在長期測量過程中輸出結(jié)果產(chǎn)生偏移。文獻對于輸出結(jié)果隨測試環(huán)境溫度影響產(chǎn)生漂移量的變化規(guī)律,尚沒有給出相應(yīng)的理論分析。

鑒于此,在已有的研究成果基礎(chǔ)上,對在測試環(huán)境溫度影響下傳感器線圈與被測導(dǎo)體因溫度變化引起的輸出結(jié)果偏移情況進行了探討。此外,利用傳感器溫度穩(wěn)定性試驗分析討論在小溫差情況下因被測導(dǎo)體等效電阻變化引起輸出結(jié)果受溫度影響的敏感情況,其分析結(jié)論可為傳感器溫度補償改進措施提供參考。

1 電渦流位移傳感器測試原理

電渦流傳感器是由傳感器線圈,前置放大器和被測金屬導(dǎo)體組成。當線圈中通以高頻交變電流I1時,線圈周圍產(chǎn)生交變磁場。閉合金屬導(dǎo)體靠近或遠離線圈過程中,導(dǎo)體中磁通量Φ1發(fā)生變化,會在導(dǎo)體表面產(chǎn)生閉合的感應(yīng)電渦流。如圖1(a)所示。

電渦流產(chǎn)生的磁通量Φ2與傳感器線圈產(chǎn)生的磁通量Φ1方向相反,抵消線圈的部分磁場,從而導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗Z及品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生改變。通過建立電路模型[8],將被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個短路環(huán)中的電流,線圈與被測導(dǎo)體構(gòu)成一個耦合電感,如圖1(b)所示。互感系數(shù)M隨線圈與導(dǎo)體之間的距離δ減小而增大。

圖1 電渦流效應(yīng)示意與等效電路

由基爾霍夫定律得到如下方程

(1)

解方程可得,等效阻抗

(2)

其中,等效電感

(3)

等效電阻

(4)

品質(zhì)因數(shù)

(5)

式中R1,L1分別為線圈的電阻和電感；R2,L2分別為金屬導(dǎo)體的電阻和電感；M為線圈與金屬導(dǎo)體的互感系數(shù)；ω為線圈激勵角頻率,1為檢測電路輸出電壓。

等效阻抗Z及品質(zhì)因數(shù)Q與線圈激勵電流的角頻率ω,被測金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率μ,電阻率ρ,以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離δ有關(guān)。若其他參數(shù)不變,只改變線圈到金屬導(dǎo)體的距離δ。當距離δ增大時,互感系數(shù)M減小,等效電感L增大,等效電阻R減小,品質(zhì)因數(shù)Q增大,則電渦流強度減弱[9],導(dǎo)致輸出電壓1增大。故最終輸出電壓U是δ的非線性單調(diào)增函數(shù),如圖2所示。通過標定實驗確定線性工作段δm,即可得到電渦流位移傳感器的測量范圍,U與δ成線性關(guān)系,從而達到測量位移的目的。

圖2 U-δ關(guān)系曲線

2 溫度對測試結(jié)果系統(tǒng)性偏移的影響

理想情況下,如果電渦流傳感器探頭與被測金屬導(dǎo)體之間沒有位移變化,傳感器的輸出電壓保持恒定,位置反饋信號的變化量為零。但在實際測量過程中,由于環(huán)境溫度變化導(dǎo)致傳感器輸出電壓產(chǎn)生漂移,該漂移值反映金屬導(dǎo)體與傳感器探頭之間距離變化,從而造成測量誤差。

2.1 溫度對傳感器探頭的影響

一般情況下,當溫度發(fā)生變化,傳感器材料中探頭封裝殼采用熱膨脹系數(shù)小的材料,減小了材料熱變形,故可認為探頭骨架不對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。溫度對探頭的影響主要是其內(nèi)部線圈,即溫度主要引起線圈阻抗變化。

由于線圈電感L與磁導(dǎo)率,線圈匝數(shù)及幾何尺寸有關(guān)。在線圈選材時,對線圈熱膨脹以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有特殊的考慮。故當溫度變化時,線圈電感L1變化極小,可忽略不計[10,11]。所以在溫度影響下線圈電阻變化導(dǎo)致輸出結(jié)果產(chǎn)生偏移。

由于線圈中通以交流電,則因趨膚效應(yīng)引起交流電阻在一定范圍內(nèi)與溫度的關(guān)系[8]

(6)

式中l(wèi)為導(dǎo)線長度；S為導(dǎo)線截面積；ρ為導(dǎo)線電阻率；ρ0為0 ℃時導(dǎo)線電阻率；α為導(dǎo)線電阻率的溫度系數(shù)；t為溫度；f為線圈中電流頻率；μr為導(dǎo)線的相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率。由上式可知,Rac是溫度的非線性函數(shù)。溫度在一定范圍內(nèi),Rac隨溫度的升高非線性增大[12]。

當在空載情況下,排除被測導(dǎo)體的影響,品質(zhì)因數(shù)Q=ωL1/Rac。當溫度升高時,Rac增大,則品質(zhì)因數(shù)Q降低,導(dǎo)致最終輸出電壓減小。

2.2 溫度對被測導(dǎo)體的影響

當環(huán)境溫度變化時,被測導(dǎo)體電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率均發(fā)生改變,導(dǎo)體溫度與渦流大小之間的關(guān)系比較復(fù)雜。隨著溫度的變化,渦流波動性比較大[13]。當傳感器探頭與被測金屬導(dǎo)體位置不變,環(huán)境溫度變化,R,L均發(fā)生變化,即造成電渦流傳感器“交叉敏感”現(xiàn)象[14],故直接影響檢測電路品質(zhì)因數(shù)Q。在給定溫度范圍內(nèi), 溫度對電阻率的影響為[15]

(7)

R2=ρl′/S′

(8)

式中l(wèi)′為被測導(dǎo)體的等效長度；S′為被測導(dǎo)體的等效截面面積。

當溫度升高時,R2增大,品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化。若溫度升高時,考慮R2,電感L2均不發(fā)生變化。由式(5),對R2求導(dǎo),可得

(9)

當R2

通過分析溫度對傳感器探頭與被測導(dǎo)體產(chǎn)生的影響,可知,當被測導(dǎo)體R2

3 電渦流傳感器溫度漂移試驗

為說明電渦流位移傳感器在溫度影響下輸出電壓的變化情況,采用電渦流位移傳感器(型號QSY9505)進行溫度穩(wěn)定性試驗。通過固定傳感器探頭與被測導(dǎo)體之間的距離,改變測試環(huán)境溫度,獲得傳感器輸出電壓在環(huán)境溫度改變下的變化趨勢。

3.1 試驗設(shè)計

電渦流傳感器溫度漂移試驗設(shè)計如圖3所示,支架固定于預(yù)先安裝被測導(dǎo)體的基座上,傳感器探頭安裝在支架橫桿,通過調(diào)節(jié)支架橫桿高度實現(xiàn)探頭與被測導(dǎo)體間距離調(diào)整。為準確掌握傳感器探頭及被測導(dǎo)體周圍溫度變化,在靠近探頭的附近安裝2只溫度傳感器。保持橫桿與基座之間的較小間距,以盡量消除豎桿因溫度變化引起的熱脹冷縮變形,試驗照片如圖4所示。

圖3 電渦流位移傳感器測試系統(tǒng)示意

圖4 傳感器溫度標定裝置

試驗過程中,每隔1 h以2 ℃的級差調(diào)控室內(nèi)溫度,通過溫度傳感器測出探頭周圍溫度變化,每隔0.5 h讀取電渦流傳感器探頭周圍實際變化溫度。室內(nèi)調(diào)控溫度與傳感器附近測試溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 溫度調(diào)控測試曲線

3.2 試驗結(jié)果分析

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),得到輸出電壓與時間的關(guān)系曲線。結(jié)合讀取的實際測試溫度變化,輸出電壓與環(huán)境溫度隨時間變化的關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖6 輸出電壓與測試溫度隨時間變化曲線

可以看出,隨測試時間的推移,傳感器輸出電壓呈明顯的漂移。當環(huán)境升溫速率快時,輸出電壓幅值變化快速增加；升溫速率放慢時,輸出電壓幅值變化幾乎同步放緩。可以看出,該電渦流位移傳感器受環(huán)境溫度波動較敏感,測試漂移值對環(huán)境溫度變化有較好的跟隨性。

由于測試溫度變化在10 ℃內(nèi),傳感器探頭封裝殼由熱膨脹系數(shù)小的隔熱材料構(gòu)成,可認為傳感器探頭內(nèi)部線圈受溫度影響小,從而忽略線圈電阻變化。另外,由于被測導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)大,故溫度對輸出電壓的影響主要體現(xiàn)在被測導(dǎo)體上,即被測導(dǎo)體電阻變化對輸出電壓起控制作用。由試驗結(jié)果可推測被測導(dǎo)體電阻大于臨界等效電阻R*,當測試環(huán)境溫度升高時,品質(zhì)因數(shù)增大,電渦流強度減弱,導(dǎo)致輸出電壓增大。為增強傳感器的溫度穩(wěn)定性,被測導(dǎo)體可選用導(dǎo)熱系數(shù)相對較小的金屬材料。

4 結(jié) 論

1)溫度變化引起傳感器探頭測試結(jié)果偏移,二者呈負相關(guān)變化趨勢。

2)在小溫差范圍內(nèi),被測導(dǎo)體的電阻變化對輸出結(jié)果起控制作用。被測導(dǎo)體存在臨界等效電阻R*,若等效電阻R2

3)通過采用某型號的電渦流傳感器進行溫度穩(wěn)定性試驗,測試結(jié)果受溫度影響呈明顯的正漂移,且在小范圍溫度波動下輸出值漂移出現(xiàn)較好的跟隨性。表明傳感器具有較強的溫度敏感性,在測試精度要求高的情況下應(yīng)予以修正。