電渦流式傳感器測位移

1、電渦流式傳感器測位移 第一章 緒論 1.1 傳感器設(shè)計的目的及意義（應(yīng)用） 1.2 電渦流式傳感器的性能特點 （1）結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便； （2）線性范圍大，靈敏度高； （3）非接觸測量； （4）抗干擾能力強； （5）不受油污影響等； （6）外磁場影響大，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，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(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。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，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率、電導率、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體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導體的電導率、磁導率、尺寸因子、頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度I和頻率參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F(, , D, I, )函數(shù)來表示。通常我們能做到控制, , , I,這幾個參數(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體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。 （3）其工作過程是：當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，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，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓(電流)變化，最終完成機械位移(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)中被測體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān) 1.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用： 電渦流式傳感器可以測量的物理量有：位移、震動、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現(xiàn)非接觸式測量，而且是根據(jù)與被測導體的耦合程度 來測量，因此可以通過靈活設(shè)計傳感器的構(gòu)形和巧妙安排它與被測導體的布局來達到各種應(yīng)用的目的。 1）在測量位移方面，除可直接測量金屬零件的動態(tài)位移、汽輪機主軸的軸向竄動等位移量外，它還可測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）在測量振動方面，它是測量汽輪機、空氣壓縮機轉(zhuǎn)軸的徑向振動和汽輪機葉片振幅的理想器件。還可以用多個傳感器并排安置在軸側(cè)，并通過多通道指示儀表輸出至記錄儀，以測量軸的振動形狀并繪出振型圖。 3）在測量轉(zhuǎn)速方面，只要在旋轉(zhuǎn)體上加工或加裝一個有凹缺口的圓盤狀或齒輪狀的金屬體，并配以電渦流傳感器，就能準確地測出轉(zhuǎn)速。 4)此外，利用導體的電阻率與溫度的關(guān)系，保持線圈與被測導體之間的距離及其他參量不變，就可以測量金屬材料的表面溫度，還能通過接觸氣體或液體的金屬導體來測量氣體或液體的溫度。 5)電渦流測溫是非接觸式測量，適用于測低溫到常溫的范圍，且有不受金屬表面污物影響和測量快速等優(yōu)點。 6）保持傳

6、感器與被測導體的距離不變，還可實現(xiàn)電渦流探傷。 探測時如果遇到裂紋，導體電阻率和導磁率就發(fā)生變化，電渦流損耗，從而輸出電壓也相應(yīng)改變。通過對這些信號的檢驗就可確定裂紋的存在 總體來講，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。對汽輪機、水輪機、鼓風機、壓縮機、空分機、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動力學研究和零件尺寸檢驗等進行在線測量和保護。 1.5技術(shù)指標及要求（設(shè)計任務(wù)及要求） （1）被測量類型 位移（變換量：傳感器線圈與被測體之間的距離） （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 電渦流傳感器測位移的設(shè)計 2.1 電渦流傳感器的構(gòu)成及原理 傳感器設(shè)計的內(nèi)容一般包括理論分析、傳感器各個部件的材料選取、結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計與論證、參數(shù)的理論計算與分析、傳感器的特性補償方法以及主要工藝要求等。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個無骨架的扁平線圈或者安裝在骨架中的線圈，所以設(shè)計問題主要是線圈的設(shè)計。 電渦流式傳感器的工作原理在緒論中已經(jīng)陳述，故在此不再復述。 2.2 電渦流傳感器的工作線圈的設(shè)計 2.1.1 線圈尺寸的計算 實際工作線圈常設(shè)計成扁平多匝線圈，產(chǎn)生的磁場可視

8、為由相應(yīng)單匝線 圈的磁場疊加而成。 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 導體間的距離，當線圈通以交流電流I時，整個扁平線圈在軸線任意點 處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度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（c?。?，靈敏

9、度高； 4）線圈內(nèi)經(jīng)Ra改變時，在被測體與線圈間距小時，靈敏度略有變化； 5）設(shè)計時常取線性范圍是外徑的1/31/5。 Ra：本次給出的設(shè)計要求中，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簡單計算， Rb和c一起設(shè)計，可先

10、設(shè)定Rb=8mm，c=2mm，經(jīng)核對滿足線性范圍和靈敏度的要求。 c：c=2mm。 2.1.2 線圈阻抗的計算 設(shè)線圈的銅電阻為Rc，電感值為L，則線圈的阻抗為：Z?Rc?j?L 1）線圈銅電阻Rc的計算： 因為Rc=?l/A，對于圈數(shù)N，導線直徑為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 線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計主要以分布電容和分布電感為出發(fā)點來考慮結(jié)構(gòu)形式，本 次設(shè)計的結(jié)構(gòu)為：在框架內(nèi)先開一條槽，導線繞制在槽內(nèi)形成一個線圈，如下圖所示。 1-線圈；2-骨架。 第三章 3.1 硬件設(shè)計 .1 硬件設(shè)計 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，激勵探頭中的線圈產(chǎn)生變化明顯的交變磁場。選擇雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)是因為其選頻特性良好，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，