提高電渦流傳感器靈敏度的方法

黎東升， 于光普， 尤傳富

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

目前，電渦流傳感器廣泛地應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等方面的測(cè)量，傳感器對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確度直接影響著控制電路的精確性，因此，對(duì)電渦流傳感器靈敏度的研究有著十分重要的意義。

文中介紹了電渦流傳感器的工作原理，并分析了影響其靈敏度與線性度的因素，通過改變測(cè)量電路結(jié)構(gòu)和改變探頭尺寸來提出改善電渦流傳感器靈敏度的方法，觀察靈敏度提高后對(duì)傳感器線性度的影響。

1 電渦流傳感器的工作原理［1－3］

由電磁感應(yīng)原理可以得出，當(dāng)導(dǎo)體位于交變的磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流呈渦流狀，感應(yīng)電流閉合并集中在導(dǎo)體表面，這一效應(yīng)稱之為渦流效應(yīng)。電渦流傳感器就是利用渦流效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的一種傳感器。

電渦流傳感器主要分為3部分：探頭、延伸電纜和前置器。工作時(shí)，前置器中會(huì)產(chǎn)生高頻交變的電流，這一高頻交變電流通過電纜流到傳感器的探頭，并在探頭的線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)。

探頭與被測(cè)導(dǎo)體示意圖如圖1所示。

圖1 探頭與被測(cè)導(dǎo)體示意圖

從圖1可以看出，當(dāng)傳感器探頭線圈中有高頻交變的電流流過時(shí)，會(huì)在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)μ1，當(dāng)探頭線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離改變，導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)μ2，μ2的方向與μ1相反。由于磁場(chǎng)μ2的作用，傳感器探頭線圈中電流的幅度和相位也會(huì)發(fā)生變化，電流的變化會(huì)引起探頭線圈等效電感值的改變，從而改變探頭線圈的品質(zhì)因數(shù)Q。這樣對(duì)位移量的測(cè)量實(shí)際上就是對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的測(cè)量。提高線圈的品質(zhì)因數(shù)Q，就可以有效地提高電渦流傳感器的靈敏度。

2 串聯(lián)電感提升電渦流傳感器的靈敏度［4－9］

探頭線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的等效電路如圖2所示。

圖2 探頭線圈與被測(cè)導(dǎo)體的等效電路

在理論分析過程中，將傳感器的探頭等效成電感線圈，傳感器與被測(cè)導(dǎo)體可以等效成傳感器線圈與渦流環(huán)線圈的相互作用。

由基爾霍夫電壓定律可得：

式中：U——正弦高頻信號(hào)；

R1，R2——分別表示傳感器與被測(cè)導(dǎo)體的等效電阻；

L1，L2——分別表示傳感器與被測(cè)導(dǎo)體等效電感；

I1，I2——分別表示傳感器線圈與被測(cè)導(dǎo)體中的電流。

求解方程（1）和（2），可得出傳感器的等效阻抗：

由式（4）～式（6）分析可以看出，隨著傳感器與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離改變，傳感器線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的互感系數(shù)M也隨之改變。當(dāng)傳感器接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，互感系數(shù)M增大，等效電感L隨著互感系數(shù)M的增大而減小，等效電阻R隨著互感系數(shù)M的增大而增大，這樣使得傳感器探頭的品質(zhì)因數(shù)Q降低，使傳感器的靈敏度也隨之降低。實(shí)際測(cè)量中，傳感器與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離很小時(shí)，由于傳感器的等效電感L太小，使得振蕩電路不能啟振，傳感器沒有輸出。通過串聯(lián)電感可以提升電渦流傳感器的靈敏度。

具體方法是采用調(diào)幅電路作為測(cè)量電路，傳感器的探頭線圈作為振蕩電路的一部分，使傳感器探頭線圈和并聯(lián)電容組成一個(gè)諧振電路，輸入穩(wěn)定幅值的高頻信號(hào)到諧振電路中，在對(duì)位移量進(jìn)行測(cè)量時(shí)線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的變化引起探頭電感的改變，使傳感器的輸出電壓的幅值發(fā)生改變。通過實(shí)驗(yàn)觀察串聯(lián)電感后對(duì)電渦流傳感器靈敏度的提升，以直徑Φ5的探頭本身和串聯(lián)20μH的電感分別進(jìn)行試驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 Φ5探頭傳感器輸出

表2 Φ5探頭串聯(lián)20μH的電感傳感器輸出

電感對(duì)電壓－位移曲線的影響如圖3所示。

曲線2為沒有串聯(lián)電感時(shí)傳感器的輸入－輸出曲線，曲線1為串聯(lián)20μH的電感后的傳感器輸入－輸出曲線。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，串聯(lián)了電感后傳感器的靈敏度得到了有效地提高，在靈敏度提高的同時(shí)線性范圍有所降低，但是在微位移的測(cè)量中，測(cè)量范圍較小，在線性范圍允許的情況下提高傳感器的靈敏度，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能有著顯著的提高。

圖3 電感對(duì)電壓－位移曲線的影響

3 改變探頭線圈尺寸提高靈敏度

電渦流傳感器可以看作是由多個(gè)載流導(dǎo)線疊加而形成的扁平線圈，由比奧－沙伐定律可以求出單個(gè)載流導(dǎo)線上的磁感強(qiáng)度分布

式中：μ0——磁導(dǎo)系數(shù)；

r——導(dǎo)體半徑；

I——導(dǎo)線中的電流；

x——離導(dǎo)線軸線的距離。

由式（7）推導(dǎo)出N匝的載流扁平線圈在距離傳感器線圈x處的磁感強(qiáng)度Bx，它可看成是由N個(gè)單匝載流導(dǎo)線的磁感強(qiáng)度疊加而成。

式中：N——線圈匝數(shù)；

b，r1，r2——分別表示線圈的厚度、外徑和內(nèi)徑。

由式（8）分析得出，軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx是x的函數(shù)，這一函數(shù)還會(huì)受到N，I以及線圈幾何尺寸的影響。雖然增大輸入電流I和增加線圈匝數(shù)都可以增強(qiáng)軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是由于線圈確定后，根據(jù)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的要求，電流I與線圈匝數(shù)N也隨之確定，在實(shí)際應(yīng)用中，主要影響傳感器靈敏度的是線圈的幾何尺寸。在確定了電流I與線圈匝數(shù)N 之后，分析式（8），對(duì)軸上磁場(chǎng)分布以及磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較大的是線圈的外徑，而線圈內(nèi)徑對(duì)傳感器靈敏度的影響較小，增大傳感器探頭線圈的外徑，會(huì)使傳感器的靈敏度降低，但會(huì)增大傳感器的線性范圍。

電渦流傳感器分別帶Φ3和Φ5的探頭來分析線圈的幾何尺寸對(duì)傳感器靈敏度的影響，改變傳感器與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離x，來看兩種不同的探頭下傳感器的靈敏度，所得實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 Φ3探頭時(shí)傳感器靈敏度

表4 Φ5探頭時(shí)傳感器靈敏度

線圈尺寸對(duì)電壓－位移曲線的影響如圖4所示。

圖4 線圈尺寸對(duì)電壓－位移曲線的影響

圖中曲線1為Φ5探頭時(shí)的電壓－位移曲線，曲線2為Φ3探頭時(shí)的電壓－位移曲線。觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和電壓－位移曲線可知，減小傳感器的探頭線圈可以大大地提高傳感器的靈敏度，可是在提高靈敏度的同時(shí)，傳感器的線性度有所降低。實(shí)際測(cè)量時(shí)，可根據(jù)測(cè)量范圍選擇傳感器線圈的尺寸以滿足對(duì)靈敏度和線性度的需求，提高測(cè)量系統(tǒng)的性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)電渦流傳感器的原理進(jìn)行了分析，并對(duì)影響電渦流傳感器靈敏度的因素進(jìn)行了研究，提出了提高傳感器靈敏度的方法，通過在測(cè)量電路中串聯(lián)電感和減小傳感器探頭線圈的尺寸都可以有效地提高傳感器的靈敏度。同時(shí)觀察提高靈敏度對(duì)傳感器線性度的影響，傳感器靈敏度的提高會(huì)降低其線性范圍。在實(shí)際測(cè)量中可以根據(jù)測(cè)量范圍進(jìn)行選擇，使系統(tǒng)的性能得到提高。

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