鎳鉻合金導(dǎo)線在電渦流位移傳感器中的應(yīng)用*

藍(lán) 奇，馬伏花，農(nóng) 正，尹彩流，陸貴方

（廣西民族大學(xué)摩擦材料研究所，廣西南寧 530006）

0 引言

目前，在非接觸式位移測(cè)量中，普遍采用電渦流位移傳感器，該傳感器具有測(cè)量距離大、靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)［1］。典型的電渦流位移傳感器由探頭、延伸電纜、前置器及被測(cè)體組成［2］，其中，探頭由骨架和繞制在其上的探頭線圈構(gòu)成。探頭線圈的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器的測(cè)量精度、測(cè)量范圍等具有重要影響［3］，通常采用的線圈為銅質(zhì)漆包線，但是銅線圈的溫度穩(wěn)定性不好，抗腐蝕能力差［4～6］。本文采用具有高強(qiáng)度和抗腐蝕性的鎳鉻合金導(dǎo)線為線圈，將導(dǎo)線繞制在陶瓷骨架上構(gòu)成傳感器探頭，結(jié)合電源模塊、放大模塊和顯示模塊，設(shè)計(jì)制作了電渦流位移傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量精度較高等特點(diǎn)。

1 電渦流傳感器的工作原理

1.1 渦流效應(yīng)

圖1 電渦流傳感器工作原理Fig 1 Working principle of eddy current sensor

1.2 電渦流傳感器等效電路

為了便于分析，把被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，金屬導(dǎo)體與傳感器線圈之間存在耦合關(guān)系，它們之間可畫(huà)出如圖2所示的等效電路圖。

圖中，R1，L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，R2，L2為短路環(huán)的等效電阻和電感，M為線圈與導(dǎo)體之間的互感系數(shù)為激勵(lì)電壓。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出如下方程

圖2 電渦流傳感器等效電路圖Fig 2 Equivalent circuit of eddy current sensor

式中 ω為線圈激磁電流角頻率。解此方程組可求得傳感器線圈受電渦流影響后的等效阻抗Z為

由此可見(jiàn)，被測(cè)金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ，線圈與被測(cè)導(dǎo)體的距離x，以及線圈激勵(lì)電流的角頻率ω等參數(shù)都將通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗Z有關(guān)。可表示為Z=F（x，μ，ρ，ω，…），如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè)，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小。

在本設(shè)計(jì)中，保持其它參數(shù)不變，只改變線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體的距離，通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移參數(shù)x的測(cè)量。

2 傳感器總體設(shè)計(jì)

傳感器主要由穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、渦流探頭、檢測(cè)處理電路和單片機(jī)顯示等部分組成。其組成框圖如圖3所示。

圖3 傳感器組成框圖Fig 3 Block diagram of sensor composition

2.1 信號(hào)源

信號(hào)頻率及其穩(wěn)定性對(duì)檢測(cè)效果的影響非常大，一般來(lái)說(shuō)，若振蕩器頻率變化1%，輸出變化大約在10%以上，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)輸出頻率穩(wěn)定的振蕩器是很重要的。本文采用函數(shù)輸生器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，經(jīng)恒流源放大電路后，供給探頭線圈。

2.2 渦流探頭

正確地選擇渦流線圈材料、參數(shù)和合理地制作能提高位移傳感器的線性范圍與靈敏度［7］。采用電阻溫度系數(shù)為-10×10-6/℃，線徑為0.6 mm的鎳鉻合金導(dǎo)線在陶瓷骨架制成渦流探頭。被測(cè)金屬導(dǎo)體為45號(hào)鋼，直徑為200 mm，厚度為20 mm。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出傳感器線圈的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為線圈內(nèi)徑、外徑、厚度分別為28，35，1.8 mm。

2.3 直流穩(wěn)壓電源

本設(shè)計(jì)將要用到+12，-12，+5 V直流電源。直流穩(wěn)壓電源是將220V交流轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓裝置，分為變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓4個(gè)環(huán)節(jié)。

選用7805制作5 V直流電源，如圖4所示，220 V交流經(jīng)過(guò)變壓器后，在經(jīng)過(guò)一個(gè)整流橋，采用2只330μF和2只0.1μF電容器構(gòu)成，則輸出端輸出穩(wěn)壓+5 V。7805前端的330 μF和 0.1 μF 電容器起濾波作用，7805 后端的 330 μF 和0.1 μF電容器起穩(wěn)壓作用。

圖4 5 V電源電路圖Fig 4 5 V power supply circuit

選用7812，7912制作±12 V直流電源，如圖5所示，電路是用橋式整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器7812和7912，470 μF和220 μF組成的具有±12 V輸出的直流穩(wěn)壓電源。其中，470μF 和0.1 μF 用來(lái)濾波，220 μF 和 0.1 μF 用來(lái)穩(wěn)壓。

圖5 12 V電源電路圖Fig 5 12 V power supply circuit

2.4 放大器電路

采用LM324制作一個(gè)雙電源放大器，具體需要的器件有1 kΩ電阻器、精密可調(diào)電阻器和一個(gè)四運(yùn)算放大器LM324芯片，如圖6所示。

LM324為四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部有4個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路，電路功耗很小，LM324工作電壓范圍寬，可用正電源3～30 V，或正負(fù)雙電源 ±1.5～ ±15 V工作。

2.5 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

采用STC12C5A32S2單片機(jī)與1602液晶顯示模塊構(gòu)成顯示部分，具體電路圖如圖7所示。

圖6 放大電路圖Fig 6 Circuit of amplifier

圖7 液晶顯示電路圖Fig 7 Circuit of LCD display

放大器放大后的信號(hào)通過(guò)接口輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將變化的電壓量轉(zhuǎn)換為變化的相對(duì)位移量，并通過(guò)液晶顯示模塊顯示出來(lái)。

3 測(cè)試結(jié)果

渦流探頭固定于高精度位移標(biāo)定器上，將被測(cè)金屬導(dǎo)體固定在工作臺(tái)上。選定信號(hào)源頻率，調(diào)節(jié)位移標(biāo)定器，改變探頭與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離，步長(zhǎng)為1 mm，記錄輸出電壓數(shù)值。調(diào)整激勵(lì)信號(hào)頻率，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓值與位移呈遞增關(guān)系，當(dāng)渦流探頭與被測(cè)金屬導(dǎo)體越遠(yuǎn)時(shí)，電壓值就越大。圖8為當(dāng)激勵(lì)頻率為150 kHz時(shí)，輸出電壓與位移之間的關(guān)系。

圖8 輸出電壓與位移之間的關(guān)系Fig 8 Relationship between output voltage and displacement

4 結(jié)束語(yǔ)

以鎳鉻合金導(dǎo)線為渦流線圈材料，設(shè)計(jì)制作了電渦流位移傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、抗干擾能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，線性范圍為0～11 mm。

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