电涡流式传感器测位移的设计

第一章　绪论

1.1　传感器设计的目的及意义（应用）

1.2　电涡流式传感器的性能特点

   （1）结构简单，安装方便；

   （2）线性范围大，灵敏度高；

   （3）非接触测量；

   （4）抗干扰能力强；

   （5）不受油污影响等；

   （6）外磁场影响大，需要采取消磁措施。

1.3　电涡流式传感器的工作原理：

（1）根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

（2）前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

（3）其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关

1.4　电涡流式传感器的应用：

     电涡流式传感器可以测量的物理量有：位移、震动、厚度，表面温度、电解质浓度、速度（流量），应力、硬度，探伤等。

     电涡流式传感器能实现非接触式测量，而且是根据与被测导体的耦合程度来测量，因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的。　

1）在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。　　

2）在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。　　

3）在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。　　

4)此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。　　

5)电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。　　

6）保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。　　探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在

     总体来讲，电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。

1.5技术指标及要求（设计任务及要求）

（1）被测量类型

    位移（变换量：传感器线圈与被测体之间的距离）

（2）线性范围

     14.5(mm)

（3）精度、 灵敏度、误差

     精度：0.2（V）

     灵敏度：1（V/mm）

     线性误差：＜1%

（4）工作条件

 -15～＋80（℃）

第二章　电涡流传感器测位移的设计

2.1　电涡流传感器的构成及原理

传感器设计的内容一般包括理论分析、传感器各个部件的材料选取、结构形式的设计与论证、参数的理论计算与分析、传感器的特性补偿方法以及主要工艺要求等。电涡流式传感器的结构主要是一个无骨架的扁平线圈或者安装在骨架中的线圈，所以设计问题主要是线圈的设计。

电涡流式传感器的工作原理在绪论中已经陈述，故在此不再复述。

2.2　电涡流传感器的工作线圈的设计

2.1.1　 线圈尺寸的计算

       实际工作线圈常设计成扁平多匝线圈，产生的磁场可视为由相应单匝线圈的磁场叠加而成。

       设：为线圈内经， 为线圈外径，为线圈厚度，为扁平线圈到导体间的距离，当线圈通以交流电流时，整个扁平线圈在轴线任意点处产生的磁感应强度为：

       根据此式可以计算出不同尺寸下的灵敏度和其线性范围，而且可以得出以下几个结论：

1）线圈外径大，线性范围大，但灵敏度低；

2）线圈外径小，线性范围小，但灵敏度高；

3）线圈薄时（小），灵敏度高；

4）线圈内经改变时，在被测体与线圈间距小时，灵敏度略有变化；

5）设计时常取线性范围是外径的1/3～1/5。

：本次给出的设计要求中，线性范围大（14.5mm），灵敏度高（1V/mm），由于线圈内径都很小，而且对线性范围和灵敏度影响不明显，所以首先确定线圈内径=0.75mm。

：依据此式，为了满足线性范围要求和灵敏度要求，由MATLAB简单计算，和一起设计，可先设定=8mm，=2mm，经核对满足线性范围和灵敏度的要求。

：=2mm。

2.1.2　 线圈阻抗的计算

        设线圈的铜电阻为，电感值为，则线圈的阻抗为：

1）线圈铜电阻的计算：

因为=对于圈数N，导线直径为d（m），电阻率为（·m）

2）线圈电感的计算：

其中D为线圈平均直径；

为线圈宽度；

为线圈厚度；

=0.82857

2/8.75=0.22857

则L=482.77mF

3）线圈损耗因数的计算：

2.1.3　 线圈结构的设计

         线圈结构设计主要以分布电容和分布电感为出发点来考虑结构形式，本次设计的结构为：在框架内先开一条槽，导线绕制在槽内形成一个线圈，如下图所示。

        1-线圈；2-骨架。

第三章　

3.1　硬件设计

.1　硬件设计

系统框架如图3—1所示，由谐振电路、线圈、放大电路、检波电路、滤波电路辅助电路及输出测量及显示系统组成。

3.1.1  谐振电路

振荡器是由双T型选频网络组成，振荡器的功能是产生频率一定的高频交流正弦波信号，激励探头中的线圈产生变化明显的交变磁场。选择双T型选频网络是因为其选频特性良好，适用于产生单一频率且频率较小的（本课题中选用1.8KHz）电源频率。电路结构如图3.1.1所示。

其中振荡频率fo=，起振条件为：R3＜,＞1。

谐振电路的谐振频率为f=，当回路的谐振频率f等于振荡器供给的高频信号频率时，回路的阻抗最大，因而输出高频幅值电压e也为最大。测量位移时，线圈阻抗随被测体与传感器线圈断面距离发生变化，谐振回路失谐输出信号e（t）幅值发生了变化，相当于一个调幅波。

倍压电路

                图3-1　系统整体设计框图