電渦流式傳感器測(cè)位移

1、電渦流式傳感器測(cè)位移 第一章 緒論 1.1 傳感器設(shè)計(jì)的目的及意義（應(yīng)用） 1.2 電渦流式傳感器的性能特點(diǎn) （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便； （2）線性范圍大，靈敏度高； （3）非接觸測(cè)量； （4）抗干擾能力強(qiáng)； （5）不受油污影響等； （6）外磁場(chǎng)影響大，需要采取消磁措施。 1.3 電渦流式傳感器的工作原理： （1）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。 （2）前置器中高頻振蕩電流通過(guò)延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的

2、磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng)，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變(線圈的有效阻抗)，這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、尺寸因子、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強(qiáng)度I和頻率參數(shù)來(lái)描述。則線圈特征阻抗可用Z=F(, , D, I, )函數(shù)來(lái)表示。通常我們能做到控制, , , I,這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)

3、不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過(guò)前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。 （3）其工作過(guò)程是：當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的 Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過(guò)檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓(電流)變化，最終完成機(jī)械位移(間隙)轉(zhuǎn)

4、換成電壓(電流)。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測(cè)體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個(gè)電渦流位移傳感器的性能與被測(cè)體有關(guān) 1.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用： 電渦流式傳感器可以測(cè)量的物理量有：位移、震動(dòng)、厚度，表面溫度、電 解質(zhì)濃度、速度（流量），應(yīng)力、硬度，探傷等。 電渦流式傳感器能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，而且是根據(jù)與被測(cè)導(dǎo)體的耦合程度 來(lái)測(cè)量，因此可以通過(guò)靈活設(shè)計(jì)傳感器的構(gòu)形和巧妙安排它與被測(cè)導(dǎo)體的布局來(lái)達(dá)到各種應(yīng)用的目的。 1）在測(cè)量位移方面，除可直接測(cè)量金屬零件的動(dòng)態(tài)位移、汽輪機(jī)主軸的軸向竄動(dòng)等位移量外，它還可測(cè)量如金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力、加速度等可變換成位移量的參量

5、。 2）在測(cè)量振動(dòng)方面，它是測(cè)量汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)和汽輪機(jī)葉片振幅的理想器件。還可以用多個(gè)傳感器并排安置在軸側(cè)，并通過(guò)多通道指示儀表輸出至記錄儀，以測(cè)量軸的振動(dòng)形狀并繪出振型圖。 3）在測(cè)量轉(zhuǎn)速方面，只要在旋轉(zhuǎn)體上加工或加裝一個(gè)有凹缺口的圓盤(pán)狀或齒輪狀的金屬體，并配以電渦流傳感器，就能準(zhǔn)確地測(cè)出轉(zhuǎn)速。 4)此外，利用導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系，保持線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離及其他參量不變，就可以測(cè)量金屬材料的表面溫度，還能通過(guò)接觸氣體或液體的金屬導(dǎo)體來(lái)測(cè)量氣體或液體的溫度。 5)電渦流測(cè)溫是非接觸式測(cè)量，適用于測(cè)低溫到常溫的范圍，且有不受金屬表面污物影響和測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)。 6）保持傳

6、感器與被測(cè)導(dǎo)體的距離不變，還可實(shí)現(xiàn)電渦流探傷。 探測(cè)時(shí)如果遇到裂紋，導(dǎo)體電阻率和導(dǎo)磁率就發(fā)生變化，電渦流損耗，從而輸出電壓也相應(yīng)改變。通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的檢驗(yàn)就可確定裂紋的存在 總體來(lái)講，電渦流傳感器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè) 和一些科研單位。對(duì)汽輪機(jī)、水輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分機(jī)、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動(dòng)、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測(cè)量和保護(hù)。 1.5技術(shù)指標(biāo)及要求（設(shè)計(jì)任務(wù)及要求） （1）被測(cè)量類型 位移（變換量：傳感器線圈與被測(cè)體之間的距離） （2）線性范圍 14.5(mm) （3）精度、 靈敏度、誤

7、差 精度：0.2（V） 靈敏度：1（V/mm） 線性誤差：<1% （4）工作條件 -1580（） 第二章 電渦流傳感器測(cè)位移的設(shè)計(jì) 2.1 電渦流傳感器的構(gòu)成及原理 傳感器設(shè)計(jì)的內(nèi)容一般包括理論分析、傳感器各個(gè)部件的材料選取、結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)與論證、參數(shù)的理論計(jì)算與分析、傳感器的特性補(bǔ)償方法以及主要工藝要求等。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)無(wú)骨架的扁平線圈或者安裝在骨架中的線圈，所以設(shè)計(jì)問(wèn)題主要是線圈的設(shè)計(jì)。 電渦流式傳感器的工作原理在緒論中已經(jīng)陳述，故在此不再?gòu)?fù)述。 2.2 電渦流傳感器的工作線圈的設(shè)計(jì) 2.1.1 線圈尺寸的計(jì)算 實(shí)際工作線圈常設(shè)計(jì)成扁平多匝線圈，產(chǎn)生的磁場(chǎng)可視

8、為由相應(yīng)單匝線 圈的磁場(chǎng)疊加而成。 設(shè)：Ra為線圈內(nèi)經(jīng)， Rb為線圈外徑，c為線圈厚度，x為扁平線圈到 導(dǎo)體間的距離，當(dāng)線圈通以交流電流I時(shí)，整個(gè)扁平線圈在軸線任意點(diǎn) 處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bp為： ?Rb? Bp?dBp?(x?c)ln? 2(Rb?Ra)?c?Ra? u0NI Rb?(x?c)Ra?(x?c) 22 22 ?xln Rb?Ra? 22 Rb?(x?c)? ?22 Ra?(x?c)? 根據(jù)此式可以計(jì)算出不同尺寸下的靈敏度和其線性范圍，而且可以得出 以下幾個(gè)結(jié)論： 1）線圈外徑Rb大，線性范圍大，但靈敏度低； 2）線圈外徑Rb小，線性范圍小，但靈敏度高； 3）線圈薄時(shí)（c小），靈敏

9、度高； 4）線圈內(nèi)經(jīng)Ra改變時(shí)，在被測(cè)體與線圈間距小時(shí)，靈敏度略有變化； 5）設(shè)計(jì)時(shí)常取線性范圍是外徑的1/31/5。 Ra：本次給出的設(shè)計(jì)要求中，線性范圍大（14.5mm），靈敏度高（1V/mm），由于線圈內(nèi)徑都很小，而且對(duì)線性范圍和靈敏度影響不明顯，所以首先確定線圈內(nèi)徑Ra=0.75mm。 Rb： ?Rb?Bp?dBp?(x?c)ln? 2(Rb?Ra)?c?Ra? u0NI Rb?(x?c)Ra?(x?c) 22 22 ?xln Rb?Ra? 22 Rb?(x?c)? ?22 Ra?(x?c)? 依據(jù)此式，為了滿足線性范圍要求和靈敏度要求，由MATLAB簡(jiǎn)單計(jì)算， Rb和c一起設(shè)計(jì)，可先

10、設(shè)定Rb=8mm，c=2mm，經(jīng)核對(duì)滿足線性范圍和靈敏度的要求。 c：c=2mm。 2.1.2 線圈阻抗的計(jì)算 設(shè)線圈的銅電阻為Rc，電感值為L(zhǎng)，則線圈的阻抗為：Z?Rc?j?L 1）線圈銅電阻Rc的計(jì)算： 因?yàn)镽c=?l/A，對(duì)于圈數(shù)N，導(dǎo)線直徑為d（m），電阻率為?（?·m） Rc?4?Nl ?d2 ND 0.0369?0.14d?0.124e22）線圈電感的計(jì)算：L?10?7 其中D為線圈平均直徑； b為線圈寬度； c為線圈厚度； D?(2Ra?2Rb)/2?8.75(mm) d?bD c D?(Rb?Ra)D?7.258.75=0.82857 e?2/8.75=0.22857

11、 則L=482.77mF 3）線圈損耗因數(shù)De的計(jì)算： De?1 Q?1 ?L/Rc?Rc ?L?Rc 2?fL 2.1.3 線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以分布電容和分布電感為出發(fā)點(diǎn)來(lái)考慮結(jié)構(gòu)形式，本 次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為：在框架內(nèi)先開(kāi)一條槽，導(dǎo)線繞制在槽內(nèi)形成一個(gè)線圈，如下圖所示。 1-線圈；2-骨架。 第三章 3.1 硬件設(shè)計(jì) .1 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框架如圖31所示，由諧振電路、線圈、放大電路、檢波電路、濾波電路輔助電路及輸出測(cè)量及顯示系統(tǒng)組成。 3.1.1 諧振電路 振蕩器是由雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)組成，振蕩器的功能是產(chǎn)生頻率一定的高頻交流正弦波信號(hào)，激勵(lì)探頭中的線圈產(chǎn)生變化明顯的交變磁場(chǎng)。選擇雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)是因?yàn)槠溥x頻特性良好，適用于產(chǎn)生單一頻率且頻率較小的（本課題中選用 1.8KHz）電源頻率。電路結(jié)構(gòu)如圖3.1.1所示。 1R?AF 其中振蕩頻率fo=5RC，