电涡流传感器的研究与探讨

档案编号：毕业设说明书题目：电涡流传感器的研究与探讨系别：电气工程系专业：生产过程自动化班级：姓名：指导教师：（共18页）年月日1摘要：电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。由于它具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度高、非接触、响应速度快、不受油污等介质影响等优点，因而得到了广泛的应用。但目前的电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题，这给传感器的应用造成了一定的影响。本文首先通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究和优化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。其次针对电涡流位移传感器存在的测量范围小，传感器存在非线性问题的改善提出设想即：先对电涡流位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响；再从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基础；最后通过对电涡流传感器测位移实验进行分析处理得出电涡流传感器位移测量范围的扩展方法和改善电涡流传感器非线性问题的方法。关键词：电涡流传感器;位移测量;非线性;测量范围Abstract:theeddycurrentsensorisanewtypeofsensorbasedoneddycurrenteffect.Becauseitissimpleinstructure,stronganti-jammingcapability,highaccuracy,non-contact,fastresponse,notpollutedadvantagessuchmediainfluence,andbeenwidelyused.Butthecurrentelectricityeddydisplacementsensormeasurementrangesmall,thereexistnonlinearproblem,thesensortoasensorapplicationshascausedsomeinfluence.Thispaperfirstlyeddycurrentsensorusedinthelaboratoryexperimenttemplatecircuitresearchandoptimization,andimprovetheanti-interferenceabilityofthecircuitmoreaccuratemeasurementresults.Secondlyaccordingtotheeddycurrentdisplacementsensormeasurementrangesmall,thereexistnonlinearproblemofsensortoimproveitputsforwardtheideaoftheeddycurrentis:firstdisplacementdetectionsensorsfordisplacementoftheworkingprinciplesandapplications,researchanalyzedthecoilcross-section2shapeandeddycurrenttransducerparametersonthelinearmeasurementrangeandsensitivityinfluence;Againfromcircuitdesignofthesensortoimprovestabilityandanti-jammingability,soastolayafoundationdisplacementmeasurement;extendedrangeFinallybasedondisplacementexperimenteddycurrentsensorsthatanalyzedwitheddycurrentsensordisplacementmeasurementrangeofextensionmethodsandimprovingtheeddycurrentsensormethodofnonlinearproblems.Keywords:theeddycurrentsensor;Displacementmeasurement;Nonlinear;Measurementrange3目录1引言41.1涡流检测技术的发展现状41.2课题研究方案及研究意义52电涡流传感器的原理及应用描述62.1电涡流传感器的简介62.1.1传感器构成及电涡流传感器的工作原理62.1.2电涡流传感器等效电路分析72.2电涡流传感器的应用83电涡流传感器实验电路设计93.1电涡流传感器侧位移原理93.2数据处理103.3实验所得结论的应用整合描述134设想134.1对电涡流传感器测量范围小和非线性问题改善的设想134.1.1检测线圈的选择134.1.2检测线圈的机械结构设计134.2电路设计的方向144.3设想总结145CSY-2000D型传感器检测实验技术台维修记录15结论17参考文献17致谢1841引言1.1涡流检测技术的发展现状早在1824年，加贝(Gambey)就发现：如果悬挂着而且正在摆动的磁铁下方放一块铜板，磁铁的摆动会很快停止下来。这是首次发现电涡流存在的实验。几年以后，傅科(Foucault)在研究了这些电磁现象后指出：在强的不均匀磁场运动的铜盘中有电流存在。因此，涡流在一段时间内叫傅科电流。1831年，法拉第(Faraday)在前人电磁实验的基础上，发现了电磁感应现象：变化的磁场能产生电场，并总结出电磁感应定律。在电磁感应现象发现以后，对电磁现象的实验研究和对电磁基本理论问题的数学分析都获得了巨大的进展。到1873年，麦克斯韦(Maxwell)系统的总结了前人有关电磁学说的全部成就并加以发展，得出了一组以他的名字命名的电磁方程组。这组著名的麦克斯维方程组严整地描述了一切宏观电磁现象，是解决大多数电磁学问题的基本理论工具，也是分析涡流实验方法的理论基础。首先将电涡流现象和测量方法联系起来的是休斯(D．E．Hu曲es)在1879年的实验。休斯首先用感生电流的方法进行了对不同金属和合金的判断试验。他利用钟的滴答声在微音器里产生激励信号，得到的电脉冲通过一对彼此相同的线圈并使放在线圈里的金属物体感生涡流。在用电话听筒谛听这个滴答声的同时调节一个平衡线圈系统，使话筒里的滴答声消失。休斯发现，当金属材料的形状、大小和成分不同时，平衡线圈所需调节的程度不同，从而揭示了应用涡流对导电材料和零件进行检测的可能性。休斯以后的相当长时间内，涡流检测法一直发展缓慢。尽管在二十世纪二十年代中期又出现了涡流测厚仪，第一台涡流探伤仪(用于检验焊接钢管质量)也于1935年研制成功，但是，直到第二次世界大战期间，德国和美国等少数国家的研究单位和大型企业才开始应用少量实用化的涡流检测设备。例如，1942年，德国的某航空工厂借助于西普研制的仪器对进厂的铝、镁合金管材和棒材进行100％的自动化检查。这一时期由于理论上的局限性，抑制各种实验参数对涡流检测的影响还未找到有效的方法，因而，没有从根本上取得有成效的突破和改进。1950一-1954年，德国的福斯特(Foerster)博士发表了一系列论文，其中包括消除涡流仪中某些干扰因素的理论和试验结果，开启了现代涡流检测方法和设备的研究工作。从此，涡流检测技术得到较快的发展并为生产检验所采纳。近年来，涡流检测技术已经成为几种无损检测技术中的一个重要组成部分。5六十年代初我国少数单位开始对涡流检测技术进行基本理论和应用技术的研究，制成了用于探伤、材质分选、测厚等各种用途的涡流检测设备，成立了涡流仪器生产的专业工厂，在航空航天、冶金、机械、化工、轻工等许多工业部门，涡流检测技术的应用己同益增多并日趋成熟。近年来，我国以清华大学和南京航空航天大学为代表的大专院校和科研单位，在人工神经网络技术和三维缺陷阻抗图的研究方面取得了很大进展。在现代社会，信息技术是由传感器技术、计算机技术和通信技术组成的。它们共同承担信息采集、处理和传输任务。随着电子技术，尤其是计算机技术和信息理论的飞速发展，涡流检测技术受到深刻的影响并展现出新的前景。从涡流检测仪器的发展历程来看，可分为五代产品。第一代产品是以分立元件为基础，采用简单谐振方式的一维显示模拟仪器，只有一种检测频率；第二代产品是以阻抗平面分析法为基础，部分采用集成电路技术的二维显示模拟检测仪器，检测时可以选用不同的激励频率以适应不同检测材料的要求；第三代产品是多频涡流仪，检测时对探头同时施加两个或两个以上不同的检测频率，利用不同频率下被检金属材料反射阻抗不同的原理，提高了对材料特性或缺陷的检测能力，并通过混频处理抑制干扰信号，达到去伪存真的目的；第四代产品是以计算机技术为基础的智能化、数字化产品，其特点是能够大大简化操作，提高检测效率和数据处理能力，并具备频谱分析、涡流成像等功能；第五代产品是DSP技术、阵列技术、多通道技术、通信传输技术及其他无损检测技术相互融合为一体的多功能仪器，它能够对缺陷进行检测、分析、判断，并通过对其他技术的辅助检测，验证其结果的正确性。因此，可以说第五代产品是当代最先进的电子信息技术之集成，是电磁检测技术的一大飞跃。在涡流检测技术的发展过程中出现以下几种新的技术方向：1.多频涡流检测技术和脉冲技术2.远场涡流检测技术3.涡流阵列测试技术4.磁光/涡流成像检测技术1.2课题研究方案及研究意义本次课题是通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究、优化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。接着对改善电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题进行了设想。步骤如下：61.对电涡流位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响。2.从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基础。3.对电涡流传感器测位移实验所得的数据进行分析处理得出解决量程扩展和非线性问题。最后一部分是本次做毕业设计期间对检测技术实验室CSY-2000D型传感器检测技术试验台的维修进行记录。2电涡流传感器的原理及应用电涡流传感器具有结构简单—、频率响应快、灵敏度高、体积小等优点，其应用已非常广泛，本节将会对其工作原理机应用进行介绍。2.1电涡流传感器的简介2.1.1传感器构成及电涡流传感器的工作原理传感器构成框图如下图2-1：被测量非电量电参量电量图（2-1）根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：线圈H1i1H2金属导体H2（μxi2敏感元件传感元件测量电路7图（2-2）电涡流工作原理2.1.2电涡流传感器等效电路分析为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。Ì1MÌ2注：图中U1为Ù1图(2-3)电涡流传感器等效电路图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：0ˆˆˆ12222IMjILjIR(2-1)121111ˆˆˆˆUIMjILjIR经求解方程组，可得Ì1和Ì2表达式：222222212222222111)