電渦流傳感器穩(wěn)定性與實驗研究

施宏昊

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

電渦流傳感器系統(tǒng)所用到的主要電磁傳感元件是磁探頭，探頭裝置的線圈內(nèi)部一般是裝有能夠固定的安裝固定在金屬框架板上的序號扁平的線圈。線圈上可以存在由控制器來進(jìn)行控制線圈產(chǎn)生的正向震蕩的感應(yīng)的電磁場，當(dāng)測量線圈接近導(dǎo)體與接觸被待測體的金屬導(dǎo)體時，被待被測體的金屬表面內(nèi)部便都會因為相應(yīng)而產(chǎn)生了震蕩的感應(yīng)的磁場電流，而又同時的產(chǎn)生出了一個反向震蕩感應(yīng)的感應(yīng)電磁場，這時內(nèi)置的電渦流傳感器芯片就可根據(jù)隨著這個反向電磁場所變化引起的電磁脈沖強度的變化而來的準(zhǔn)確地判斷測量導(dǎo)線表面與接觸被待測體導(dǎo)線表面之間的距離。因此，在對電渦流傳感器進(jìn)行整個實際工作或過程系統(tǒng)設(shè)計分析實踐中，被檢測體結(jié)構(gòu)一般上也是只可被單地看作構(gòu)成一個位移傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的那幾個相對重要部件的簡單組成形式和結(jié)構(gòu)部分，電渦流位移傳感器的總體材料的特殊力學(xué)性能等則與這各個單元被監(jiān)測材料組成的一般結(jié)構(gòu)物理特性等相關(guān)（圖1）。

圖1 電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)金屬導(dǎo)體電流因長期處于電流周期性方向變化時產(chǎn)生的磁場環(huán)境變化中并被做電流周期性的切割變化成磁感線的運動的過程時，導(dǎo)體電流場中也必然會產(chǎn)生相應(yīng)磁場產(chǎn)生另一種可感應(yīng)導(dǎo)體的導(dǎo)體電流，感應(yīng)導(dǎo)體的導(dǎo)體電流現(xiàn)象也就是因感應(yīng)磁場變化呈現(xiàn)導(dǎo)體電漩渦狀，該類導(dǎo)體電流現(xiàn)象常被稱為感應(yīng)導(dǎo)體電渦流，該磁場效應(yīng)現(xiàn)象又稱電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)等科學(xué)原理進(jìn)行加工設(shè)計制成的一類新型電磁傳感器，一般稱為電渦流式傳感器（圖2）。

圖2 工作原理

前置器線圈電路中輸出來的一個高頻的振蕩脈沖電流信號將其通過一個延伸的電纜線路直接進(jìn)入到探頭線圈，使整個探頭線圈產(chǎn)生交變磁場。基本測量參數(shù)由于電磁反作用，探頭線圈高頻電流感應(yīng)產(chǎn)生電場的最大頻率振幅變化范圍和最大磁場相位值將相應(yīng)產(chǎn)生顯著變化，從而可能將使整個探頭線圈區(qū)域內(nèi)電場的最大有效電阻抗的數(shù)值范圍也隨之發(fā)生重大改變。這種頻率顯著變化，往往與所測量到被檢受測件金屬體表面中磁場的相對最大的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、探頭線圈及其內(nèi)部包覆金屬導(dǎo)體的幾何形狀、尺寸、電流頻率振幅值，及由該探頭線圈中心到包覆該器件金屬導(dǎo)體表面中心間的磁場相對最小距離值等許多物理參數(shù)因素等相關(guān)。

通?？梢约俣ǖ氖牵淮龣z測的探頭材料均為金屬材料，比較線性均勻或穩(wěn)定的金屬導(dǎo)體，性能線性比較均勻穩(wěn)定且具有各項同性，探頭的線圈材料和被待檢測的探頭對象系統(tǒng)金屬之間存在的某種主要的物理特性關(guān)系，也可以看做是由與被待測探頭材料金屬導(dǎo)體之間存在的電導(dǎo)率系數(shù)б、磁導(dǎo)率指數(shù)ξ、尺寸因子系數(shù)τ、探頭的線圈材料與被待測探頭的系統(tǒng)金屬表面間的等效距離常數(shù)D 以及等效電流強度指數(shù)I、等效頻率常數(shù)ω 等來表達(dá)。由此線圈的特征阻抗可以分別使用z=F（τ，ξ，б，D，I，ω）函數(shù)表示。通?？梢灾豢紤]和保持被測件用的金屬繞組上的電導(dǎo)率系數(shù)б、磁導(dǎo)率系數(shù)ξ、尺寸因子系數(shù)τ、電流強度I 和電流頻率系數(shù)ω 等這5 項重要電磁參數(shù)，保持其在其某項一定的數(shù)值范圍內(nèi)的精度不變，線圈繞組中的特征阻抗值系數(shù)Z 即可成為在距離函數(shù)D 域上的最后一個單值函數(shù)。

2 電渦流傳感器電路實驗

位移傳感信號常用的是新型測量與傳感技術(shù)，采用的位移傳感信號測量技術(shù)手段通常有熱應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器等位移測量方法等，來實現(xiàn)完成位移檢測，大位移尺寸下的微小位移傳感器一般用于熱互感應(yīng)的同步器、光柵、容柵、磁柵等新型傳感測試電磁技術(shù)方法來快速實現(xiàn)電磁測量，由于采用其電磁測量方法、又是能快速通過探測器直接測量傳感器輸出中的各種電信號，方便現(xiàn)場快速信號轉(zhuǎn)化，易于進(jìn)行現(xiàn)場過程控制，所以在目前應(yīng)用最為廣泛。

電渦流傳感器本身其屬于電磁儀器的一種，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)信號場響應(yīng)的特性更好，靈敏度要求更高，分辨率較高，可說真正能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量受介質(zhì)。與目前其他全接觸式的測量受介質(zhì)傳感器方式所相比，非接觸測量介質(zhì)最好的一種檢測的方法也是由于兩者不需完全的接觸而因此可以做到相對地減少對其的磨損量的；與目前其他型產(chǎn)品的電磁位移檢測的傳感器結(jié)構(gòu)形式相比較，電渦流位移的測量和傳感的檢測器具已經(jīng)有了能長期穩(wěn)定持續(xù)的工作可靠性比很好、測量信號波長范圍可以更窄寬、靈敏度很高、分辨率也很高、響應(yīng)快檢測響應(yīng)速度快、不受惡劣環(huán)境油污灰塵等各種因素影響、結(jié)構(gòu)可以較復(fù)雜簡單方便實用可靠等優(yōu)點。

2.1 電渦流傳感器位移實驗基本原理

通過連接帶有交變磁感應(yīng)型電流互感器上的一個感應(yīng)電流線圈便可自動產(chǎn)生出一交變感應(yīng)電流磁場，當(dāng)可感應(yīng)得金屬體內(nèi)部恰好是處在于這個交變上的一磁場時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理的基本原理，金屬自動感應(yīng)并結(jié)合在金屬體內(nèi)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電流。電流磁場可使感應(yīng)金屬體的表面自感合，并隨旋轉(zhuǎn)閉合形成漩渦，故稱這個磁場現(xiàn)象為金屬旋轉(zhuǎn)渦流。渦流力值的受影響性大小還可與測量該感應(yīng)金屬導(dǎo)體材料自身表面的金屬電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、線圈激磁電流頻率值及感應(yīng)電流線圈與該感應(yīng)金屬體表面間的相對位移距離的x 度軸移等其他一系列電磁參數(shù)值有關(guān)。

電渦流信號產(chǎn)生的磁場，其產(chǎn)生過程中同時也意味著要消耗這大部分磁場能量，從而間接地改變了鐵磁線線圈之間的電場阻抗，渦流傳感器就是基于測量這種以電磁渦流效應(yīng)原理來制成的儀器的。電渦流工作條件是指在某一個金屬非表面接觸的磁場狀態(tài)工作時（線圈與金屬體表面不接觸）工作時，當(dāng)已知除了該線圈與該金屬體之間以金屬表面相接觸時，磁場最小距離為等于x 度且線圈周圍的磁場剩余等所有其他電磁參數(shù)都為大于一定電磁常數(shù)時，都還可以允許用于現(xiàn)場進(jìn)行的電磁位移值的精確測量。

電渦流傳感器的安裝、測量電路示意見圖3、圖4。

圖3 電渦流傳感器安裝示意

圖4 電渦流傳感器測量電路

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）根據(jù)電渦流傳感器側(cè)位移實驗的接線圖接線。

（2）求取電壓與位移的函數(shù)關(guān)系。電壓表校定完零度后，調(diào)節(jié)儀表測微頭位置并使各被動試測體頭與各傳感器端部完全相接觸，將電壓表顯示的電壓從選擇開關(guān)檔自動切換并調(diào)整電壓到20 V 擋，檢查各個儀表的接線端子完整正確無誤后即可正常開啟并扣住主機箱電源開關(guān)，記下當(dāng)前的電壓表讀數(shù)，然后每隔1 min（大約0.1 mm）讀正錯的一個儀表參數(shù)，記錄儀表前端的10 個測量脈沖數(shù)據(jù)（表1），繪出儀表顯示的電壓波形并與測量位移曲線中的一種函數(shù)圖形。分別顯示在曲線每一個側(cè)角和曲線每隔約0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm 處所讀入10 組數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 理想曲線與數(shù)據(jù)對應(yīng)曲線

表1 脈沖數(shù)據(jù)

（3）實驗結(jié)論。對其每一小組提供的數(shù)據(jù)曲線分別進(jìn)行對比和分析，并通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)和對與其所列數(shù)據(jù)曲線對應(yīng)關(guān)系的函數(shù)曲線分別進(jìn)行驗證測試和數(shù)據(jù)對比和分析比較后，最終得出了一個結(jié)論：通?？赏ㄟ^傳感器外徑有效測量的位移曲線的最大線性范圍應(yīng)設(shè)置在外徑處。

2.3 電渦流傳感器穩(wěn)定性研究

2.3.1 檢測線圈的選擇

電渦流位移傳感器工作中最經(jīng)常用到的是電渦流位移傳感器，檢測纏繞線圈也是組成該套渦流位移檢測傳感器系統(tǒng)中的4 個最重要組成部分中就有這兩個部分是比較重要的核心部分，包含位移傳感器自身各種主要尺寸參數(shù)，如纏繞線圈形狀、內(nèi)徑、外徑、厚度及繞線圈、纏繞線圈要用到的很多其他材料參數(shù)，也必須考慮與渦流位移傳感器的自身的另外一些關(guān)鍵性能參數(shù)也有很直接的關(guān)系。

對于位移檢測傳感器線圈設(shè)計的工藝參數(shù)范圍內(nèi)的最佳選擇，分析和比較以前的研究結(jié)果，主要總結(jié)出以下4 個。

（1）從傳感器線圈的形狀來看：線圈的大截面積對位移檢測傳感器性能有很大的直接影響。不同形狀和橫截面尺寸的位移傳感線圈的集膚效應(yīng)將顯著不同。寄生電流傳感器可直接用于位移檢測，高能圓柱線圈的靈敏度往往比矩形線圈的更高。

（2）當(dāng)3 個傳感器線圈的速度密度值相同時，線圈直徑的內(nèi)外值越窄，外徑值越大，厚度值越厚，傳感器線圈的檢測靈敏度值越高，線性范圍越窄。相反，結(jié)論也應(yīng)該是可持續(xù)的。

（3）3 個傳感器線圈速度密度值對3 個線圈傳感器性能場的線性影響范圍相同。如果線圈密度值相同的3 個傳感器線圈的參數(shù)幾何值相同，則傳感器線圈3 圈的密度范圍越窄，傳感器線圈檢測信號的靈敏度越寬、越高，線性范圍也就會越的廣大和小。

（4）傳感器線圈的截面幾何形狀地變化可以對磁場傳感器性能變化產(chǎn)生了很重要的地影響，因為在其中一個倒梯形的截面?zhèn)鞲衅骶€圈磁場能量地?fù)p失相對來講最少，在其他截面上相同截面形狀的線圈位置上其感應(yīng)磁場強度的性能變化之間的梯度最大。

2.3.2 感器探頭選型

電渦流傳感器常用的渦流探測元件電路多由金屬陶瓷外殼、線圈骨骼、線圈等電磁機械部件電路等部件構(gòu)成，電渦流傳感器通常僅需要根據(jù)其自身電磁效應(yīng)也可以快速完成感應(yīng)電流的測量，因此也要求其感應(yīng)元件前端部分的僅感材料須為高強度導(dǎo)電及非金屬高溫絕緣材料。通過分析綜合與比較選用各種規(guī)格不同等級的陶瓷材料，可同時保證現(xiàn)場加工和采用來的其他各種等級陶瓷材料符合檢測工藝要求，陶瓷材料特有的磁性耐高溫、耐腐蝕，可以及時保證能夠有效準(zhǔn)確的探測保護(hù)系統(tǒng)和探測保護(hù)系統(tǒng)中內(nèi)部的帶電的金屬磁性元件，不直接影響或遮擋其外部微弱電磁場，提高渦流傳感器的整體使用壽命。要求達(dá)到很高的環(huán)境溫度要求的話，也就可以選擇直接的使用鍍銀合金線。采用由各種不同規(guī)格的線徑組合所形成的多條漆包線線圈組合，也一樣可以獲得比傳感器線圈更好的、可靠的溫度穩(wěn)定性。

2.3.3 影響電渦流傳感器工作穩(wěn)定性的因素

由以上實驗檢測結(jié)果中可知，信號電壓U 的幅值范圍和采樣頻率、線圈等效損耗阻抗值Z、線圈電感L 大小以及由被感測元件導(dǎo)體電阻引入電阻的絕對值Z、L 值都均能嚴(yán)重影響電流傳感器波形的線性輸出，只要積極研究探討如何采取措施減少上述這些信號受外部環(huán)境影響的潛在影響，就能切實提高微型電流傳感器設(shè)備的運行工作及其穩(wěn)定性。由于電渦流傳感器通常是指利用電渦流傳感器內(nèi)的電流線圈及其與其他被檢測金屬導(dǎo)體等之間施加的強電磁場耦合和作用原理進(jìn)行的工作方式的，因而對于被受測導(dǎo)體本身的幾何材料、尺寸、物理性質(zhì)分布與結(jié)構(gòu)形狀特性等直接影響電流傳感器輸入的信號輸出和特性，對其工作的穩(wěn)定性有很大影響。

3 結(jié)論

（1）電渦流傳感器是一種動態(tài)性能優(yōu)良、能夠?qū)崟r測量多種物理參量移動的電子傳感器的實驗分析設(shè)備。

（2）實驗表明當(dāng)激勵電源工作頻率在15～27.5 Hz，激勵電壓源的電壓幅度范圍在4～28 V，在2～10 mm 的測試距離內(nèi)，檢測物體微小的位移運動的探測能力最優(yōu)，電渦流傳感器線性度能好、靈敏度較高。

（3）電渦流效應(yīng)傳感器主要工作集中分布在各種被測材料表面，為了讓傳感器檢測得出的物理數(shù)據(jù)更加精確、可靠，要考慮預(yù)防在實驗加熱過程中可能形成的殘磁效應(yīng)，以及材料淬火深度不充分均勻、硬度大小不十分均勻、結(jié)晶結(jié)構(gòu)的不完全均勻狀態(tài)等，各種因素都會進(jìn)一步影響到傳感器特性。

（4）測量靈敏度要求當(dāng)被測量探頭被參測體頭部表面為某一橢圓軸所測量的探頭中心線位置正好在與軸心線正交之位置時，一般情況是應(yīng)要求被測量的被參測軸直徑至少應(yīng)為該傳感器探頭頭部直徑的約3 倍或和1 倍以上，否則該傳感器頭的相對測量靈敏度數(shù)值會出現(xiàn)大幅下降，被參測體頭部表面大小數(shù)值越小，靈敏度值則數(shù)值下降幅度就可能越多。實驗環(huán)境中反復(fù)測試，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)被參測的體頭表面大小變化恰如與靈敏度測量時探頭頭部直徑大小變化相同，其實際測量結(jié)果靈敏度系數(shù)會突然明顯地下降、降低了近70%。被參檢測體表面上的微小厚度和變化幅度也往往影響其靈敏度與測量的結(jié)果。