电涡流传感器的研究应用与探讨.doc

档案编号：
毕 业 设 说 明 书

题目：电涡流传感器研究与探讨

系 别：电气工程系

专 业：生产过程自动化

班 级：

姓 名：

指引教师：
（共 18 页）
年 月 日

摘要：电涡流传感器是基于涡流效应新型传感器。由于它具备构造简朴、抗干扰能力强、测量精度高、非接触、响应速度快、不受油污等介质影响等长处，因而得到了广泛应用。但当前电涡流位移传感器存在着测量范畴小，传感器存在非线性问题，这给传感器应用导致了一定影响。
本文一方面通过对实验室所用电涡流传感器实验模板电路进行研究和优化，进而提高电路抗干扰能力使测量成果更加精确。另一方面针对电涡流位移传感器存在测量范畴小，传感器存在非线性问题改进提出设想即：先对电涡流位移传感器用于位移检测工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范畴和敏捷度影响；再从电路设计方面提高传感器稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基本；最后通过对电涡流传感器测位移实验进行分析解决得出电涡流传感器位移测量范畴扩展办法和改进电涡流传感器非线性问题办法。
核心词：电涡流传感器 ；位移测量 ；非线性 ；测量范畴

Abstract：the eddy current sensor is a new type of sensor based on eddy current effect. Because it is simple in structure，strong anti-jamming capability，high accuracy，non-contact，fast response，not polluted advantages such media influence，and been widely used. But the current electricity eddy displacement sensor measurement range small，there exist nonlinear problem，the sensor to a sensor applications has caused some influence.

This paper firstly eddy current sensor used in the laboratory experiment template circuit research and optimization，and improve the anti-interference ability of the circuit more accurate measurement results. Secondly according to the eddy current displacement sensor measurement range small，there exist nonlinear problem of sensor to improve it puts forward the idea of the eddy current is：first displacement detection sensors for displacement of the working principles and applications，research analyzed the coil cross-section shape and eddy current transducer parameters on the linear measurement range and sensitivity influence；Again from circuit design of the sensor to improve stability and anti-jamming ability，so as to lay a foundation displacement measurement；extended range Finally based on displacement experiment eddy current sensors that analyzed with eddy current sensor displacement measurement range of extension methods and improving the eddy current sensor method of nonlinear problems.

Keywords：the eddy current sensor；Displacement measurement；Nonlinear；Measurement range

目 录

1引言 4
1.1涡流检测技术发呈现状 4
1.2课题研究方案及研究意义 5
2电涡流传感器原理及应用描述 6
2.1电涡流传感器简介 6
2.1.1传感器构成及电涡流传感器工作原理 6
2.1.2电涡流传感器等效电路分析 7
2.2电涡流传感器应用 8
3电涡流传感器实验电路设计 9
3.1电涡流传感器侧位移原理 9
3.2数据解决 10 3.3实验所得结论应用整合描述 13
4设想 13
4.1对电涡流传感器测量范畴小和非线性问题改进设想 13
4.1.1检测线圈选取 13
4.1.2检测线圈机械构造设计 13
4.2电路设计方向 14
4.3设想总结 14
5 CSY-D型传感器检测实验技术台维修记录 15
结 论 17
参照文献 17
致 谢 18

1引言
1.1涡流检测技术发呈现状
早在1824年，加贝(Gambey)就发现：如果悬挂着并且正在摆动磁铁下方放一块铜板，磁铁摆动会不久停止下来。这是初次发现电涡流存在实验。几年后来，傅科(Foucault)在研究了这些电磁现象后指出：在强不均匀磁场运动铜盘中有电流存在。因而，涡流在一段时间内叫傅科电流。1831年，法拉第(Faraday)在前人电磁实验基本上，发现了电磁感应现象：变化磁场能产生电场，并总结出电磁感应定律。在电磁感应现象发现后来，对电磁现象实验研究和对电磁基本理论问题数学分析都获得了巨大进展。到1873年，麦克斯韦(Maxwell)系统总结了前人关于电磁学说所有成就并加以发展，得出了一组以她名字命名电磁方程组。这组知名麦克斯维方程组严整地描述了一切宏观电磁现象，是解决大多数电磁学问题基本理论工具，也是分析涡流实验办法理论基本。一方面将电涡流现象和测量办法联系起来是休斯(D．E．Hu曲es)在1 879年实验。休斯一方面用感生电流办法进行了对不同金属和合金判断实验。她运用钟滴答声在微音器里产生勉励信号，得到电脉冲通过一对彼此相似线圈并使放在线圈里金属物体感生涡流。在用电话听筒谛听这个滴答声同步调节一种平衡线圈系统，使话筒里滴答声消失。休斯发现，当金属材料形状、大小和成分不同步，平衡线圈所需调节限度不同，从而揭示了应用涡流对导电材料和零件进行检测也许性。休斯后来相称长时间内，涡流检测法始终发展缓慢。尽管在二十世纪二十年代中期又浮现了涡流测厚仪，第一台涡流探伤仪(用于检查焊接钢管质量)也于1935年研制成功，但是，直到第二次世界大战期间，德国和美国等少数国家研
究单位和大型公司才开始应用少量实用化涡流检测设备。例如，1942年，德国某航空工厂借助于西普研制仪器对进厂铝、镁合金管材和棒材进行100％自动化检查。这一时期由于理论上局限性，抑制各种实验参数对涡流检测影响尚未找到有效办法，因而，没有从主线上获得有成效突破和改进。1950一-1954年，德国福斯特(Foerster)博士刊登了一系列论文，其中涉及消除涡流仪中某些干扰因素理论和实验成果，启动了当代涡流检测办法和设备研究工作。从此，涡流检测技术得到较快发展并为生产检查所采纳。
近年来，涡流检测技术已经成为几种无损检测技术中一种重要构成某些。六十年代初国内少数单位开始对涡流检测技术进行基本理论和应用技术研究，制成了用于探伤、材质分选、测厚等各种用途涡流检测设备，成立了涡流仪器生产专业工厂，在航空航天、冶金、机械、化工、轻工等许多工业部门，涡流检测技术应用己同益增多并日趋成熟。近年来，国内以清华大学和南京航空航天大学为代表大专院校和科研单位，在人工神经网络技术和三维缺陷阻抗图研究方面获得了很大进展。在当代社会，信息技术是由传感器技术、计算机技术和通信技术构成。它们共同承担信息采集、解决和传播任务。随着电子技术，特别是计算机技术和信息理论飞速发展，涡流检测技术受到深刻影响并呈现出新前景。从涡流检测仪器发展历程来看，可分为五代产品。第一代产品是以分立元件为基本，采用简朴谐振方式一维显示模仿仪器，只有一种检测频率；第二代产品是以阻抗平面分析法为基本，某些采用集成电路技术二维显示模仿检测仪器，检测时可以选用不同勉励频率以适应不同检测材料规定；第三代产品是多频涡流仪，检测时对探头同步施加两个或两个以上不同检测频率，运用不同频率下被检金属材料反射阻抗不同原理，提高了对材料特性或缺陷检测能力，并通过混频解决抑制干扰信号，达到去伪存真目；第四代产品是以计算机技术为基本智能化、数字化产品，其特点是可以大大简化操作，提高检测效率和数据解决能力，并具备频谱分析、涡流成像等功能；第五代产品是DSP技术、阵列技术、多通道技术、通信传播技术及其她无损检测技术互相融合为一体多功能仪器，它可以对缺陷进行检测、分析、判断，并通过对其她技术辅助检测，验证其成果对的性。因而，可以说第五代产品是当代最先进电子信息技术之集成，是电磁检测技术一大奔腾。在涡流检测技术发展过程中浮现如下几种新技术方向：
1. 多频涡流检测技术和脉冲技术
2. 远场涡流检测技术
3. 涡流阵列测试技术
4. 磁光/涡流成像检测技术
1.2课题研究方案及研究意义
本次课题是通过对实验室所用电涡流传感器实验模板电路进行研究、优化，进而提高电路抗干扰能力使测量成果更加精确。接着对改进电涡流位移传感器存在着测量范畴小，传感器存在非线性问题进行了设想。环节如下：
1. 对电涡流位移传感器用于位移检测工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范畴和敏捷度影响。
2. 从电路设计方面提高传感器稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基本。
3. 对电涡流传感器测位移实验所得数据进行分析解决得出解决量程扩展和非线性问题。
最后一某些是本次做毕业设计期间对检测技术实验室CSY-D型传感器检测技术实验台维修进行记录。
2电涡流传感器原理及应用
电涡流传感器具备构造简朴—、频率响应快、敏捷度高、体积小等长处，其应用已非常广泛，本节将会对其工作原理机应用进行简介。
2.1 电涡流传感器简介
2.1.1传感器构成及电涡流传感器工作原理
传感器构成框图如下图2-1：
测量电路
传感元件
敏感元件
被测量 非电量 电参量 电量

图（2-1）
依照法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周边空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同步，电涡流i2又产生新交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈等效电阻相应地发生变化。其变化限度取决于被测金属导体电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体距离x，以及线圈勉励电流频率f等参数。如果只变化上述参数中一种，而别的参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数单值函数，从而拟定该参数大小。
电涡流传感器工作原理，如图2-2所示：
线圈 H1
i1 H2 金属导体 H2 （μ x
i2
图（2-2）电涡流工作原理
2.1.2 电涡流传感器等效电路分析
为了便于分析，把被测金属导体上形成电涡流等效成一种短路环中电流，这样就可以得到如图2-3所示等效电路。
Ì1 M Ì2
注：图中U1为Ù1
图(2-3)电涡流传感器等效电路
图中R1，L1为传感器探头线圈电阻和电感，短路环可以以为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一种互感M，它随线圈与导体间距离减小而增大。U1为勉励电压，依照基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路平衡方程式如下：
(2-1)

经求解方程组，可得Ì1和Ì2表达式：
(2-2)

由此可得传感器线圈等效阻抗为:
(2-3)
从而得到探头线圈等效电阻和电感。
通过式（2-4）方程式可见：涡流影响使得线圈阻抗实部等效电阻增长，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。因此电涡流传感器工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响导体中产生电涡流起到调节线圈本来阻抗作用。
(2-4)

因而，通过上述方程组推导，可将探头线圈等效阻抗Z表达到如下一种简朴函数关系：
本函数关系是一种多自变量函数关系，虽然本函数关系为多自变量，但依然非常合用，在生产产品过程中所使用数据是实验中得出数据。
其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中勉励电流频率。
因此，当变化该函数中某一种量，而固定其她量时，就可以通过测量等效阻抗Z变化来拟定该参数变化。在当前测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x,p,μ,f变化电路。
2.2电涡流传感器应用
电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和某些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检查等进行在线测量和保护。可测量内容如下：
金属元件合格测量
换向片测量
裂痕测量
轴承测量
非导电材料厚度测量
表面不平整度测量
转速测量
差动测量
振动测量
轴心轨迹测量
胀差测量
偏心测量等。
3电涡流传感器实验电路设计
位移测量方式所涉及范畴是相称广泛，普通来说小位移测量普通有应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器等办法来检测，大位移惯用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量，由于电磁测量办法能直接输出电信号，以便转化，易于控制，因此应用最为广泛。电涡流传感器就属于电磁法一种，构造简朴，动态响应好，敏捷度高，辨别率高，可实现非接触测量受介质。与接触式测量传感器相比，非接触测量办法由于不接触可以减少磨损；与其她类型位移传感器相比较，电涡流位移传感器具备长期工作可靠性好、测量范畴宽、敏捷度高、辨别率高、响应速度快、不受油污影响、构造简朴等长处。
3.1电涡流传感器侧位移电路原理
1）电涡流传感器测量电路

图（3.1.1）电涡流传感器安装示意图

图（3.1.2）电涡流位移传感器实验电路
2）电涡流传感器侧位移实验基本原理
通过交变电流线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，依照电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流大小与金属导体电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面距离x等参数关于。电涡流产生必然要消耗一某些磁场能量，从而变化磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成。电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属以表面距离x以外所有参数一定期可以进行位移测量。
3.2数据解决
1.依照电涡流传感器侧位移实验接线图接线
2.求取电压与位移函数关系
在这之前一方面要对电压表进行校零，由于当电压表达数为零时，在抱负状态下测微头值应当为零，但实际测微头读数不为零，记下当前位移值(补偿值) ，在后来测量中，输出位移值都要进行补偿(即减去补偿位移值) 就得到了理论位移。“电压(测量值) ”显示件用来直接显示位移传感器输出电压值；“位移(理论值) ”用来表达补偿后位移值。电压表校零后，调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选取开关切换到20V档，检查接线无误后启动住机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一种数，记录十个数据，绘出电压与位移函数图形。分别在侧每隔0.5mm、1mm、2mm读一种数十组数据。

X(mm)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
V(v)
0
0.07
0.16
0.25
0.34
0.44
0.54
0.66
0.76
0.87
表（1）

X(mm)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
V(v)
0
0.43
0.96
1.59
2.28
3.03
3.80
4.57
5.33
6.03
表(2)

X(mm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V(v)
0
0.97
2.27
3.79
5.33
6.70
7.80
8.65
9.31
9.80
表(3)

X(mm)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
V(v)
0
2.26
5.29
7.77
9.32
10.18
10.66
10.69
10.69
10.69
表(4)

函数图中曲线1为抱负曲线，曲线2为数据表所相应函数曲线。
对每组数据进行分析并和其所相应函数曲线进行验证，通过四组之间对比分析得出结论：传感器所测位移线性范畴在1.25mm-2.08mm之间，而传感器外径为6.25mm。

3.3实验所得结论应用整合描述
由实验数据和V-X曲线分析得到：由于电涡流效应特性，传感器线性量程很小，普通传感器线性量程只有传感器探头外径1/3-1/5。
4设想
对改进电涡流位移传感器存在着测量范畴小，传感器存在非线性问题进行了设想。详细如下：
4.1对电涡流传感器测量范畴小和非线性问题改进设想
对电涡流位移传感器用于位移检测工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范畴和敏捷度影响。
4.1.1检测线圈选取
电涡流位移传感器检测线圈是传感器核心某些，它各种参数，如形状，内径，外径，厚度，以及缠绕用材料都与传感器性能参数有很大关系。
对于检测线圈参数选取，咱们总结前人研究成果，可以得出如下几点：
1) 从形状对比：线圈截面面积对传感器性能有直接影响,不同截面线圈产生集肤效应不同，对于用于位移量检测电涡流传感器，圆柱线圈比矩形柱线圈更合用 ；
2) 当线圈匝数密度相似时，线圈内径越小、外径越大、厚度越厚，传感器敏捷度就越高，线性范畴越小。反之也成立；
3) 线圈匝数密度对传感器性能影响较大，在相似线圈几何参数下，线圈匝数密度越大，传感器敏捷度越高，线性范畴越大；
4) 线圈截面形状对传感器性能产生重要影响， 其中倒梯形截面线圈磁场能量损失至少，在相似位置磁场强度变化梯度最大。
依照以上总结前人研究，得出：漆包线直径越小，线圈匝数密度越大，而匝数越大，传感器敏捷度就会越高，线性范畴也越大。
4.1.2检测线圈机械构造设计
电涡流传感器检测线圈对传感器性能有着很大影响，因而在绕制线圈过程中，框架材料选取也是非常重要。为了减少温漂和干扰，咱们规定传感器线圈损耗小，热膨胀系数小，电性能好，因而在制作时候多选用聚四氟乙烯，陶瓷，聚酰亚胺，碳化硼等材料；线圈导线也是一种很重要因素，普通采用高强度漆包铜线，如果规定更高，就要使用银线和银合金线，在高温条件下使用可以用铼钨合金线。
4.2电路设计方向
从电路设计方面提高传感器稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基本。
1) 电涡流传感器非线性问题
在老式标定过程中咱们但愿仪表输入一输出关系具备直线特性，这样在信号分析电路某些可以很简朴用一种相移电路和放大电路就让输出电压和位移有一种很明确简朴相应关系。并且可以使传感器在测量范畴内具备相似敏捷度。但事实上许多输入输出关系并不具备直线关系，这样会使测量电路复杂化。由于实际测量过程中，传感器非线性性存在就给传感器测量带来了两个问题： 1.输出曲线通过拟合使实际曲线失真，最后输出成果与实际成果有较大误差；2.由于传感器线性度限制，传感器最后有效量程大大减小了，非线性某些成果将变成无效成果。 针对以上两个问题，设想结合虚拟仪器和pc机提出了一种办法，改进以上问题。
2) 传感器人工标定误差问题
传感器标定装置在制造过程中，仪器自身难免会存在微小误差；而工作人员在目测读数时也会浮现误差，因而传感器测量成果和工作人员自身素质关于。作为传感器标定人员，由于常年重复同工作，体力和心理上都会浮现疲倦，这样也会产生记录误差。但如果使用虚拟仪器和pc机结合办法则可有效避免这种状况发生。

4.3设想总结
对电涡流位移传感器实际等效电路进行分析研究，通过实验找出电涡流位移传感器谐振频率，分析比较各种电涡流位移传感器信号转换电路，最后设计出了一种稳定电涡流传感器电路；对电涡流位移传感器进行动态标定，克服之前老式标定误差大缺陷，对信号用matlab软件进行解决，扩展了传感器测量范畴；采用虚拟仪器与pc机结合办法解决传感器非线性性存在所带来问题。采用上述设想设计电路可改进传感器非线性和量程小问题。

5 CSY-D型传感器检测实验技术台维修记录

CSY系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应实验模板、数据采集卡及解决软件、实验台桌、示波器等构成。实验台主机箱可提供高稳定±15V、±5V、+5V、±2V--±10V（步进可调）、+2V--+24V（持续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz—10KHz（持续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz—30Hz（持续可调）；气压源0—20Kpa（可调）；温度（转速）智能调节仪；计算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数显表；漏电保护开关等。
由于做毕业设计时要经惯用到实验台发现实验室某些实验台功能块和模块是坏，如：电压表、计时器、应变传感器实验模板和转动源等。为了使实验室实验设备能在课堂实验中正常使用，对实验台功能块和实验模板进行维修并做了如下记录：
1.电压表功能块维修

检修环节：
1）观测电路板上元件与否有明显损坏，观测电路板接线与否有明显烧焦及断线、短接等现象。如有话则进行维修，维修后检测所谓修电路与否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。
2）如无明显故障，则需使用万用表对电路板接线进行线路排查即排线。若排线存在故障，则对其进行维修，直到所有线路排查接通无误，然后检测所维修电路与否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。
3）如排线后所有接线正常接通，则需对电路板上所有元器件进行测量，检测出损坏元器件并进行更换。直到所有元器件检测无误后，检测所维修电路与否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。

电压表功能块原理图(5.1)
实验台2电压表功能块损坏，通过检查后发现是电路板接线有断线，对断线进行焊接后检测电压表可正常使用，因此实验台2故障为电路板接线断线。
实验台3电压表功能块损坏，通过对电路板接线排线，发现接线正常接通，对电路板上元器件检测发现是晶体管内部损坏，因无法判断其型号最后安装一块新电压表。

2.应变传感器实验模板维修
应变传感器实验模板3605和3602调节旋钮损坏无法正常调节，打开模板检查后发现旋钮接线断开、用于固定旋钮螺母松动。使用电烙铁将旋钮上接线焊接好，拧好用于固定旋钮螺母，装好实验模板。

3计时器功能块和转动源实验模板维修
实验台1、6、7、8、9计时器都是LED显示正常，但在按下复位按钮时无法计时。打开实验台通过排线和元器件检测发现都没有问题，拆下复位按钮打开后：实验台1、7、9复位按钮中垫片丢失，因实验室无法找到同样垫片，因此用剥线铜丝代替。实验台8按钮下弹簧和垫片都已丢失，由于实验台6计时器无法维修，因此将实验台6弹簧和垫片安到实验台8上。维修完毕安上复位按钮，装好实验台。
转动源69、86、87、88无法正常测转速，通过检查后发现：69、88是由于光电继续器损坏而无法测速；而86、87是由于转轮与光电继续器摩擦而无法正常转动。

结 论

涡流测位移系统普通由电涡流位移传感器、信号测量电路、数据解决显示装置等某些构成，分别负责位移信号检测、检测信号解决和转换、数据解决和显示等功能。其中电涡流传感器和信号测量电路直接负责前端被测位移信号检测获取和转换，是整个涡流测位移系统可靠工作保证，直接关系到涡流测位移系统测位移性能。由于信号测量电路得到数据和位移之间是非线性关系，且由于电涡流效应特性导致传感器线性量程很小。
本次毕业设计通过对实验室电涡流传感器实验电路进行研究，改进了实验电路并焊接出电路板。使用焊接电路板做测量位移实验，记录数据并对数据进行分析，从而得出：由于电涡流效应特性，传感器线性量程很小，普通传感器线性量程只有传感器探头外径1/3-1/5。

参 考 文 献

［1］ 任吉林，吴礼平，李林．涡流检测．北京．国防工业出版社．1985
［2］ 张庆玲.检测技术理论与实践.北京：北京航空航天大学出版社，
［3］ 陶红艳，余成波.传感器与当代检测技术.北京：清华大学出版社，
［4］ 文丹.基于虚拟仪器电涡流测距仪研究［研究生学位论文］.武汉.华中科技大学.

致 谢

本文由×××××学校检测技术实验实训室教师、高档工程师××教师主审。主审以高度负责精神，认真仔细审看文稿，并提出许多宝贵修改意见。在此表达衷心感谢。在本次毕业设计完毕期间还得到了本校校领导、电气系系领导、电气系教研室和实验实训中心领导大力支持和协助，在此表达衷心感谢。
在本次毕业设计中经指引教师××教师悉心指引，才得以完毕本次毕业设计，在此对××教师表达再次感谢。
由于编者水平有限，文中难免有缺陷和疏漏之处，敬请读者批评指正。