電渦流傳感器的設(shè)計(jì)

伍艮常 株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001

電渦流傳感器的設(shè)計(jì)

伍艮常 株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001

針對(duì)傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的不足，介紹了一種新型的非接觸式測(cè)量?jī)x表—電渦流傳感器的設(shè)計(jì)方案。該方案采用電渦流技術(shù)將非電量的位移信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過(guò)對(duì)電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，設(shè)計(jì)了各功能電路，介紹了關(guān)鍵器件，如振蕩管、運(yùn)算放大器等的選型及主要參數(shù)的確定方法。實(shí)踐證明：采用這種電路制作的電渦流傳感器在對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械等進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和可靠性，以及安裝、調(diào)試的快速性。

電渦流傳感器；電容三點(diǎn)式振蕩器；對(duì)數(shù)運(yùn)算電路；非線性補(bǔ)償；頻率穩(wěn)定度

引言

電渦流傳感器具有靈敏度高、分辨力高、線性度高、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、線性測(cè)量范圍寬、安裝方便、非接觸測(cè)量、耐高溫、能在油、汽、水等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)以及能夠?qū)崿F(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域的位移、振動(dòng)、偏心、脹差、厚度、轉(zhuǎn)速等物理量的在線檢測(cè)和安全保護(hù)，為精密診斷系統(tǒng)提供了全息動(dòng)態(tài)特性。因而對(duì)于電渦流傳感器的研究有著深遠(yuǎn)的理論和實(shí)踐意義。

目前，對(duì)電渦流傳感器的研究，主要集中在電磁學(xué)模型機(jī)理的研究、線圈幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)、測(cè)量精度的提高、非線性的線性化和應(yīng)用范圍的拓展等方面。本文提出了一種新型的電渦流傳感器設(shè)計(jì)方案，具有速度快、功耗低、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，并已廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、鋼鐵、航空航天等領(lǐng)域，取得了非常好的效果，得到了用戶的一致好評(píng)。

1 電渦流傳感器的基本工作原理[1-2]

電渦流傳感器的基本工作原理是基于電渦流效應(yīng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知：金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體表面就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)，電渦流傳感器就是利用電渦流效應(yīng)來(lái)檢測(cè)導(dǎo)電物體的各種物理參數(shù)的。如圖1所示。

理論和實(shí)踐均證明:電渦流的大小與導(dǎo)體的磁導(dǎo)率ξ、電導(dǎo)率σ、線圈與導(dǎo)體之間的距離D、激勵(lì)電流強(qiáng)度I、激勵(lì)電流角頻率ω、線圈尺寸因子等參數(shù)有關(guān)。探頭線圈的阻抗Z是上述參數(shù)的函數(shù)，即Z=F(,ξ, σ, D, I,ω) 。

很顯然，如果只改變其中的某一參數(shù)，其他參數(shù)恒定，阻抗就成為該參數(shù)的單值函數(shù)。假設(shè)被測(cè)金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻，且具有線性和各向同性的性能特點(diǎn)，我們可以控制,ξ, σ, I,ω這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則阻抗就成為距離的單值函數(shù)，再通過(guò)前置器電子線路的處理，將探頭線圈阻抗的變化，即探頭線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的距離而變化，電渦流傳感器正是基于這樣的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、振動(dòng)、脹差、偏心等的測(cè)量。

圖1 電渦流傳感器的工作原理

2 電渦流傳感器電路設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量電路的選擇[3-5]

電渦流傳感器的測(cè)量電路可分為調(diào)頻式和調(diào)幅式兩種，調(diào)幅式測(cè)量電路又可細(xì)分為恒定頻率的調(diào)幅式和頻率變化的調(diào)幅式兩種。

調(diào)幅式測(cè)量電路是指以輸出高頻信號(hào)的幅度來(lái)反映電渦流傳感器探頭與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間的關(guān)系。其特點(diǎn)是:輸出可以被調(diào)理為直流電壓，而對(duì)直流電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的速度快、時(shí)間短、可以降低功耗。

調(diào)頻式測(cè)量電路是指將探頭線圈的電感量與微調(diào)電容構(gòu)成振蕩器，以振蕩器的頻率作為輸出量的一種轉(zhuǎn)換電路。其優(yōu)點(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，性能較穩(wěn)定，分辨率和精度高，易與計(jì)算機(jī)連接，頻率輸出便于數(shù)據(jù)采集和處理，成本較低。

在本設(shè)計(jì)中我們采用調(diào)幅式電路。

2.2 濾波、穩(wěn)壓、同相比例放大電路的設(shè)計(jì)

該部分電路的作用是消除直流電源中的交流成分以及電源電壓的波動(dòng)所造成的影響。如圖2所示。

2.3 振蕩電路的設(shè)計(jì)[6]

電感三點(diǎn)式振蕩電路：由于反饋支路是電感，振蕩器的輸出波形中含有較多的高次諧波，且振蕩頻率不高，對(duì)本設(shè)計(jì)不適用，故不予采用。

電容三點(diǎn)式振蕩電路：由于輸出端和反饋支路均為電容，對(duì)高次諧波電抗小，反饋電壓中高次諧波分量很少，振蕩頻率穩(wěn)定度高，因而輸出波形好，更接近正弦波。振蕩頻率可以較高。符合本設(shè)計(jì)的要求，故采用。如圖3所示。

圖3 電容三點(diǎn)式振蕩電路

在本設(shè)計(jì)中，為了保證振蕩電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定和可靠，我們采取了如下措施：

針對(duì)電源電壓的變化，在電源端添加了穩(wěn)壓環(huán)節(jié)；針對(duì)負(fù)載變化，在振蕩電路與負(fù)載之間插入了緩沖電路以屏蔽負(fù)載的影響；針對(duì)環(huán)境溫度變化，采用了溫度系數(shù)較小的元件，例如云母電容等；針對(duì)外界磁場(chǎng)會(huì)引起磁性材料磁導(dǎo)率的變化，影響傳感器線圈的渦流效應(yīng)，將振蕩器密封在傳感器殼體內(nèi)，起到屏蔽作用，可減少回路與外界發(fā)生的電磁耦合。

2.4 檢波、濾波電路的設(shè)計(jì)

檢波、濾波電路將電容三點(diǎn)式振蕩器的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢波、濾波，將其轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)元器件一致性的篩選以及電阻、電容參數(shù)的合理選配，使得該電路既能保證獨(dú)立線性指標(biāo)的要求，又能滿足對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)的要求，同時(shí)還要盡可能降低直流信號(hào)輸出的交流噪聲。檢波、濾波電路如圖4所示。

2.5 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)[7]

圖2 濾波、穩(wěn)壓、同相比例放大電路

采用對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)傳感器的非線性段進(jìn)行線性化補(bǔ)償，在保證測(cè)量精度要求的前提下，最大限度地?cái)U(kuò)大傳感器的測(cè)量范圍。本對(duì)數(shù)運(yùn)算放大電路采用的運(yùn)算放大器、電阻和二極管，都是非?；镜碾娮釉骷鄬?duì)于其他復(fù)雜的芯片，具有很好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此該電路在高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間使用可以保持優(yōu)良的矯正性能，可靠性好。

對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的工作原理主要是基于二極管的非線性伏安特性，伏安特性曲線在輸入（橫軸方向）逐漸增大時(shí)，輸出（縱軸方向）的變化率不斷增大，這種曲線類似指數(shù)運(yùn)算。指數(shù)運(yùn)算與對(duì)數(shù)運(yùn)算互為逆運(yùn)算，使得該電路的輸出和輸入之間滿足對(duì)數(shù)的函數(shù)關(guān)系。對(duì)數(shù)運(yùn)算放大電路如圖5所示。

圖5 對(duì)數(shù)運(yùn)算放大電路

2.6 放大、遷移、濾波電路的設(shè)計(jì)

該部分電路的作用是對(duì)檢波、濾波、線性化處理后的直流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的遷移、放大、再濾波處理，確保傳感器處于最佳線性工作區(qū)間，確保輸出形式符合技術(shù)指標(biāo)要求，確保信號(hào)的交流噪聲控制在最低程度，確保傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定、可靠。由于電渦流傳感器的供電電源僅為24V，電壓過(guò)低，以及由位移量轉(zhuǎn)化而成的電信號(hào)變化緩慢且非周期性和比較微弱的特點(diǎn)，致使傳感器的電容三點(diǎn)式振蕩器的輸出信號(hào)以及經(jīng)過(guò)檢波、濾波、線性化處理后的直流信號(hào)幅度也很低，為保證傳感器的信號(hào)輸出符合技術(shù)指標(biāo)要求,需在信號(hào)的遷移、放大、濾波環(huán)節(jié)加以放大處理。放大、遷移、濾波電路如圖6所示。

3 線圈的設(shè)計(jì)

線圈是電渦流傳感器的一個(gè)非常重要的元件，其尺寸和形狀直接關(guān)系到傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍；其材料和線徑的選擇也很關(guān)鍵；本設(shè)計(jì)為了縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和提高精確度，借助了計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，求得了一組比較合理的參數(shù)。限于篇幅，不展開討論。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 電容三點(diǎn)式振蕩電路的設(shè)計(jì)

這是一個(gè)同時(shí)具有深度負(fù)反饋和自舉反饋的電容三點(diǎn)式振蕩電路，圖中的L就是傳感器線圈的電感，其特點(diǎn)是該電路容易起振，靈敏度高，穩(wěn)定性好，時(shí)漂小，輸出幅值大。

采用電容三點(diǎn)式振蕩電路，可提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性及控制精度。為了保證此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，采用了以下方法和措施：

1）為了減小電源引起的頻率漂移，在原電源前添加一穩(wěn)壓環(huán)節(jié),使電路工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，從而改善了對(duì)其頻率的影響。2）晶體管發(fā)射結(jié)電阻Rbe和發(fā)射結(jié)電容Cbe對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響很大，其中后者影響更大，在振蕩電路中引入C2、C3便是為了減小發(fā)射結(jié)電阻R b e和發(fā)射結(jié)電容Cbe對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響。3）為了減小電路的負(fù)載效應(yīng)，增大品質(zhì)因數(shù)Q以及使諧波的失真系數(shù)減小，設(shè)計(jì)了一個(gè)射極跟隨器。4）為了提高頻率穩(wěn)定度，便要提高電感L和電容C的穩(wěn)定性（主要是溫度穩(wěn)定性），電感L的穩(wěn)定性主要取決于材料和工藝，電容C的穩(wěn)定性主要取決于材料，一般選用瓷介或云母電容，這種電容損耗小，電容量穩(wěn)定性高，并具有多種低溫度系數(shù)，適用于諧振回路和需要補(bǔ)償溫度效應(yīng)的電路中。

4.2 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)運(yùn)算電路是指輸出和輸入之間滿足對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系的電路，本設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)運(yùn)算電路主要用于對(duì)傳感器的非線性段進(jìn)行線性化補(bǔ)償，在保證測(cè)量精度要求的前提下，最大限度地?cái)U(kuò)大電渦流傳感器的量程。在設(shè)計(jì)中始終堅(jiān)持簡(jiǎn)單、明了、夠用的原則，本對(duì)數(shù)運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)采用的是運(yùn)算放大器、電阻和二極管，它們都是非常基本的電子元器件，相對(duì)于其他復(fù)雜的芯片，具有很好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此該電路可以在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，可靠性好。因此也從根本上保證了電渦流傳感器的工作可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電渦流傳感器的工作原理和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹，依照本設(shè)計(jì)生產(chǎn)的電渦流傳感器具有體積小、重量輕、抗振動(dòng)、抗沖擊、耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)，在油田、礦山、電廠、鋼廠等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，贏得了用戶一致好評(píng)。理論和實(shí)踐均證明本設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.076

伍艮常（1963—），男，湖南省寧鄉(xiāng)人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎饪刂萍夹g(shù)，電氣測(cè)量技術(shù)及其儀器。