電渦流位移檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電渦流位移檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來，溝槽檢測(cè)技術(shù)在建筑、冶金、工程、動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電漩渦用于檢測(cè)位移、振動(dòng)、厚度、裂縫和損傷。目前,對(duì)渦流傳感技術(shù)的研究主要集中在電磁學(xué)模型的簡(jiǎn)化、工作機(jī)理的研究、后續(xù)處理電路的設(shè)計(jì)和基于有限元法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)值計(jì)算與分析,但是有關(guān)線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)(包括導(dǎo)體尺寸、激勵(lì)電壓、線圈運(yùn)動(dòng)速度、導(dǎo)體溫度)對(duì)電渦流強(qiáng)度、測(cè)量精度以及靈敏度等影響的研究并不是很多,而這些問題的研究對(duì)提高電渦流檢測(cè)性能具有非常重要的意義。在造紙、紡織、皮革加工等行業(yè),由于不同的工藝要求,需要更換不同規(guī)格的定型干燥設(shè)備,例如烘缸大小、外層紋路等,同時(shí),需要精確控制加熱線圈與烘缸之間的距離,以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。在以往的控制中,大部分采用行程開關(guān)或霍爾開關(guān)來控制線圈的位置,該方法雖然控制簡(jiǎn)單但抗干擾能力不強(qiáng)、控制精度低、使用壽命短。因此,在利用電渦流感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用電渦流與位移的關(guān)系對(duì)加熱設(shè)備的位置進(jìn)行控制。1金屬導(dǎo)電圈的等效電路當(dāng)線圈通有交變電流時(shí),在其周圍形成交變的磁場(chǎng)H1,而當(dāng)金屬導(dǎo)體處在該交變磁場(chǎng)中時(shí)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合,通常就稱它為電渦流,電渦流作用原理如圖1所示。根據(jù)楞次定律,被測(cè)體上的電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2,且H2的方向與H1相反,則H2的反作用使線圈中的電流大小和相位都將發(fā)生變化,從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈的等效電感、等效阻抗以及品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。線圈阻抗的變化同時(shí)與電渦流效應(yīng)和靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān),即與金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù),激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的,其性能是線性和各向同性的,則線圈—金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)通常可由磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率ρ、尺寸因子γ、溫度t、距離x、激勵(lì)電流I和頻率ω等參數(shù)來描述,線圈的阻抗Z可用如下函數(shù)表示:Z=F(μ,ρ,γ,x.t,I,ω)(1)Ζ=F(μ,ρ,γ,x.t,Ι,ω)(1)假設(shè)、ρ、γ、x、t、ω不變,則Z為線圈與被測(cè)導(dǎo)體距離x的單值函數(shù)。由于導(dǎo)體中的電渦流難以直接測(cè)量,但可通過測(cè)量渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使原線圈的Z的變化來測(cè)量距離x,再將Z的變化通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。為了方便起見,將激勵(lì)線圈作用下的導(dǎo)體形成的渦流看作單匝電流環(huán),簡(jiǎn)稱渦流短路環(huán),等效電路圖如圖2,圖中R1和L1為線圈的直流電阻和電感,R2和L2為金屬導(dǎo)體的電阻和電感,U˙U˙為激勵(lì)電壓,M為線圈與導(dǎo)體之間的互感系數(shù),且隨著二者間距x的縮短而增大。根據(jù)克?；舴蚱胶夥匠淌娇傻玫骄€圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為:線圈品質(zhì)因素為:Q=ωLR=Q01?L2L1ω2M2Z221+R2R1ω2M2Z22(3)Q=ωLR=Q01-L2L1ω2Μ2Ζ221+R2R1ω2Μ2Ζ22(3)式中,Q0=ωL1R1Q0=ωL1R1—無渦流影響下線圈的Q值;Z2222=R2222+ω2L2222—金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流環(huán)的阻抗。由于電渦流的作用,線圈阻抗由原來的Z0=R1+jωL1變成Z。在金屬導(dǎo)體上流動(dòng)的電渦流必然產(chǎn)生熱量而消耗能量,即線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分是在增加的,而且,金屬導(dǎo)體上流動(dòng)的電渦流性能和導(dǎo)體離線圈的距離將直接影響這實(shí)數(shù)部分的大小。式(2)中的第二項(xiàng)與電渦流效應(yīng)有關(guān),電渦流產(chǎn)生一與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)并由此減小線圈的電感,間距x越小,電感的減小程度就越大。2激勵(lì)信號(hào)電路和干擾檢測(cè)電路2.1負(fù)載電路原理激勵(lì)信號(hào)電源直接應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)。按照逆變電路和負(fù)載電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,感應(yīng)電源主要分為:“并聯(lián)諧振型感應(yīng)電源”和“串聯(lián)諧振型感應(yīng)電源”兩種。本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)和控制都相對(duì)簡(jiǎn)單、并且不需要可控整流的“串聯(lián)型”電磁感應(yīng)電源結(jié)構(gòu),其主電路原理如圖3所示。圖3中,A區(qū)域?yàn)檎髯儞Q電路,是晶閘管組成的三相橋式電路,它將工頻交流電ue整流成脈動(dòng)的直流電,一般采用不可控制整流,即整流電壓不可調(diào)節(jié)。B區(qū)域?yàn)橹绷髦虚g電路,由一個(gè)濾波電感和濾波儲(chǔ)能電容組成,具有把50Hz工頻網(wǎng)絡(luò)和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開的功能。由于電容很大,電路兩端基本上是平滑的直流電壓,用ud表示,此電壓是在逆變電路C工作之前電容器所儲(chǔ)能而建立的電壓,這樣以便于啟動(dòng)逆變電路。圖中C為單相橋式串聯(lián)逆變電路,它將直流電壓ud逆變?yōu)橹蓄l方波電壓u0,并加載到負(fù)載電路D。負(fù)載電路D由感應(yīng)器和電容器組成的串聯(lián)振蕩電路。中頻電壓u0中含有明顯的基波和諧波成分:接近諧振頻率的基波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時(shí),振蕩電路呈現(xiàn)很小的阻抗,所以方波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時(shí),感應(yīng)器負(fù)載電流I0實(shí)際上接近于正弦波。2.2放大電路ac檢測(cè)電路分為整流電路A、分壓電路B和放大電路C。利用互感器對(duì)線圈回路的電壓進(jìn)行取樣、壓縮,并作為檢測(cè)電路的輸入U(xiǎn)AC。UAC經(jīng)過整流電路A變換成直流電壓,該電壓經(jīng)分壓電路B分壓后進(jìn)入放大電路C。放大的電壓值轉(zhuǎn)化成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸入到PLC,微機(jī)系統(tǒng)則對(duì)從PLC采集到的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行濾波、線性變換處理得到線圈輸出電壓值。在線采集相關(guān)參數(shù)數(shù)值,包括線圈輸出電壓值、線圈距導(dǎo)體距離、導(dǎo)體溫度,從而繪出線圈輸出電壓與各參數(shù)之間的曲線圖。3裝線系統(tǒng)的組成本文采用的是圓柱形金屬導(dǎo)體,激勵(lì)線圈為矩形線圈,大小為1.8m×0.25m,線圈匝數(shù)為13匝,在該線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)中,線圈處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)體靜止。3.1不同導(dǎo)電尺寸下渦流大小的變化測(cè)量條件:激勵(lì)電壓U0=120V,頻率20kHz,線圈運(yùn)動(dòng)速度為v=0.6mm/s,導(dǎo)體溫度為t=15℃,考察導(dǎo)體尺寸對(duì)渦流大小的影響。圖5(a)為不同導(dǎo)體尺寸下,線圈電壓U與距離X的關(guān)系;圖5(b)為不同距離下,線圈電壓U與導(dǎo)體直徑D的關(guān)系。由圖可知,相同距離下,導(dǎo)體直徑越大,線圈電壓越小,即導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電渦流越大。這是因?yàn)閷?dǎo)體直徑越大,處于線圈交變磁場(chǎng)下的面積也越大,從而在導(dǎo)體表面以及內(nèi)部形成更多的渦流回路而消耗更多的磁場(chǎng)能。由圖5(b)可看出,渦流大小與導(dǎo)體尺寸近似成線性變化關(guān)系。3.2臨界距離點(diǎn)的影響測(cè)量條件:導(dǎo)體直徑D=147mm,激勵(lì)電流頻率20kHz,線圈運(yùn)動(dòng)速度為v=0.6mm/s,導(dǎo)體溫度為t=15℃,考察激勵(lì)電壓對(duì)渦流大小的影響。當(dāng)線圈與導(dǎo)體之間的距離達(dá)到某一值時(shí),導(dǎo)體產(chǎn)生的渦流值很小,很小的渦流值對(duì)原線圈幾乎沒有影響,則稱該距離為臨界距離點(diǎn)。由圖6可知,激勵(lì)電壓越大,U-X曲線越陡,且臨界距離點(diǎn)出現(xiàn)得越早。也就是說,激勵(lì)電壓較大時(shí),靈敏度較高但測(cè)量范圍較窄;激勵(lì)電壓較小時(shí),靈敏度較低但測(cè)量范圍較寬。因此,檢測(cè)位移過程中,在選擇線圈激勵(lì)電壓時(shí),若要求測(cè)量靈敏度高則選擇較高激勵(lì)電壓,反之,若要求測(cè)量距離變化較寬則選擇較低激勵(lì)電壓。3.3圈運(yùn)動(dòng)速度對(duì)渦流大小的影響測(cè)量條件:導(dǎo)體直徑D=147mm,激勵(lì)電壓U0=120V,頻率20kHz,滾筒溫度為t=15℃,考察線圈運(yùn)動(dòng)速度對(duì)渦流大小的影響。由圖可知,線圈運(yùn)動(dòng)速度對(duì)渦流大小幾乎沒有影響,當(dāng)距離小于某一值(圖中為50mm左右)時(shí),不同速度的U-X曲線基本重合,大于該值后,曲線才開始分開。因此,利用渦流效應(yīng)測(cè)量位移過程中,特別是在較短距離內(nèi),線圈運(yùn)動(dòng)快慢并不影響測(cè)量結(jié)果。3.4溫度對(duì)圈所具有的關(guān)于測(cè)量條件:導(dǎo)體直徑分別為D=135mm、145mm,激勵(lì)電壓U0=120V,頻率20kHz,線圈靜止于距導(dǎo)體70mm處,導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài),考察導(dǎo)體溫度對(duì)渦流大小的影響。首先,向線圈輸入較高電壓,利用電磁感應(yīng)效應(yīng)將導(dǎo)體加熱到153℃左右時(shí),將激勵(lì)電壓降為120V,待導(dǎo)體自然冷卻,并記錄導(dǎo)體在降溫過程中的導(dǎo)體溫度—線圈電壓曲線,如下圖所示。由上圖可以看出,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(dòng)性比較大。這是因?yàn)樵诟邷夭顥l件下,線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)出現(xiàn)“交叉敏感”現(xiàn)象,即由于溫度的影響,導(dǎo)致輸出電壓和線圈參數(shù)同時(shí)變化,輸出電壓隨溫度變化而發(fā)生漂移。線圈因集膚效應(yīng)引起交流電阻R1在一定范圍內(nèi)與溫度的關(guān)系為:R1=lSα42ωμrμ0ρ0(1+αt)??????????????√+14ρ0(1+αt)+332ρ30(1+αt)3πdμrμ0???????√(4)R1=lSα42ωμrμ0ρ0(1+αt)+14ρ0(1+αt)+332ρ03(1+αt)3πdμrμ0(4)式中,l為導(dǎo)線長(zhǎng)度;S為導(dǎo)線橫截面積;ρ0為導(dǎo)線材料在0℃時(shí)的電阻率;α為導(dǎo)線材料電阻率的溫度系數(shù);t為溫度;ω為線圈中的電流頻率;μr為導(dǎo)線材料的相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為真空導(dǎo)磁率。由上式可看出,線圈電阻隨溫度的增加而增加。將式(2-3)對(duì)R1求導(dǎo)得:?Q?R1=(1?L2L1ω2M2R22+ω2L22)?R2ω2M2?R1R2ω2M2?R21(R22+ω2L22)R21(R22+ω2L22)(5)?Q?R1=(1-L2L1ω2Μ2R22+ω2L22)?R2ω2Μ2-R1R2ω2Μ2-R12(R22+ω2L22)R12(R22+ω2L22)(5)因此,只要滿足Q>0,則必有?Q?R1<0?Q?R1<0。若R1隨溫度的變化越大,線圈的品質(zhì)因數(shù)Q就降低,導(dǎo)致激勵(lì)線圈的輸出漂移增加,所以,即使在被測(cè)量條件不變的情況下,由于高溫導(dǎo)致線圈的電阻值改變,從而使其等效阻抗及輸出電壓發(fā)生改變。因此,在利用電渦流測(cè)量位移、厚度、振幅等參數(shù)以及無損檢測(cè)等過程