利用電渦流位移傳感器尋跡設(shè)計(jì)

蘇珍 康學(xué)亮 唐帥

摘 ?要：該文談?wù)摓榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)磁、強(qiáng)光環(huán)境中智能車的尋跡方法，展開對(duì)渦流式傳感器的研究。利用電渦流位移傳感器的基本原理，檢測(cè)參考物鋁箔位置的變化對(duì)傳感器阻抗的影響，判斷阻抗的變化做出位置的判斷。

關(guān)鍵詞：位移傳感器 ?電磁感應(yīng) ?電渦流 ?阻抗

中圖分類號(hào)：TH822 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（a）-0054-02

電渦流位移傳感器是通過(guò)輸入交變電流在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，有金屬導(dǎo)磁材料介入時(shí)，交變磁場(chǎng)產(chǎn)生變化，交變磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致線圈中的阻抗發(fā)生變化。在測(cè)量電路中將渦流線圈中的阻抗變化轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)和電流的變化。它具有靈敏度高、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種位移變化的場(chǎng)所當(dāng)中。用于尋跡的傳統(tǒng)的尋跡傳感器大多為光電式傳感器或電磁式傳感器，此類傳感器具備接線簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是復(fù)雜多變的環(huán)境里，光線明暗的變化與磁場(chǎng)復(fù)雜場(chǎng)所都會(huì)導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降，檢測(cè)能力差。與之相比，基于電渦流位移傳感器不受環(huán)境的影響，強(qiáng)光、無(wú)光與磁場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境對(duì)其靈敏度都影響不大。這使得電渦流式位移傳感器更適合工作在一些環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)所。

該文主要針對(duì)基于電渦流原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先介紹了電渦流系統(tǒng)的工作原理，并根據(jù)原理設(shè)計(jì)模型以及設(shè)計(jì)測(cè)量電路分析電路阻抗的變化，以及傳感器效果最佳的值。

1 ?傳感器模型及原理分析

電渦流位移傳感器模型如圖1所示，它[1]由感器激勵(lì)線圈和被測(cè)金屬體組成。激勵(lì)線圈是繞在絕緣體陶瓷上。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器勵(lì)磁線圈中通以正弦交變電流時(shí)，線圈周圍將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在被測(cè)導(dǎo)體上面因?yàn)榛ジ嘘P(guān)系產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電渦流。使得位于該磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生新的感應(yīng)電流，新的感應(yīng)電流又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)，新的交變磁場(chǎng)又會(huì)反抗原交變磁場(chǎng)（見圖2）。

2 ?電路設(shè)計(jì)

電渦流傳感器按照輸入的正弦交流電的頻率不同，一般可以分為兩種。高頻信號(hào)輸入時(shí)，在金屬表面產(chǎn)生反射常作位移傳感器方面。低頻信號(hào)輸入時(shí)，常表現(xiàn)為穿透性所以常用作工業(yè)探傷領(lǐng)域。高頻反射型電渦流位移傳感器內(nèi)部電路圖如圖3所示，輸入信號(hào)源為22kHz石英晶振輸入一個(gè)高頻信號(hào)。

測(cè)量電路采用調(diào)幅式測(cè)量電路[2，3]對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)檢測(cè)部分由線圈、石英晶體及電容組成振蕩電路。渦流線圈和電容組成一個(gè)LC諧振電路。信號(hào)檢測(cè)電路再通一個(gè)串聯(lián)電阻R，向LC諧振電路提供一個(gè)穩(wěn)頻穩(wěn)幅的高頻激勵(lì)信號(hào)，也作為一個(gè)恒流源輸入并給LC諧振電路提供一定頻率的激勵(lì)電流。

3 ?傳感器阻抗的分析

由圖可得，傳感器線圈的阻抗等于電感的感抗并聯(lián)電容的容抗，所以阻抗Z=，ω為石英頻率。

要使諧振回路的阻抗最大，石英晶體頻率等于LC振蕩回路的諧振頻率，及，由于ω=2πf0，ω=，得1-ω2LC=0。由此可得，無(wú)論是L增加導(dǎo)致1-ω2LC<0，還是L減小導(dǎo)致1-ω2LC>0，兩種情況都使諧振回路的阻抗減小。由此可得，當(dāng)被測(cè)金屬體與振蕩線圈的相對(duì)位置為某一確定的值時(shí)，回路中的阻抗最大諧振回路上的電流最大，新交變磁場(chǎng)對(duì)交變磁場(chǎng)的影響也最大。在這一點(diǎn)上，位移傳感器的尋跡效果也最好，所以在傳感器放置的高度就在這一點(diǎn)上。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡向東.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] 張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 郝曉劍.測(cè)控電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.