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1、 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
2、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: the eddy current sensor is a new type of sensor based on eddy current effect. Because it i
3、s simple in structure, strong anti-jamming capability, high accuracy, non-contact, fast response, not polluted advantages such media influence, and been widely used. But the current electricity eddy displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem, the sensor to a sensor ap
4、plications has caused some influence. This paper firstly eddy current sensor used in the laboratory experiment template circuit research and optimization, and improve the anti-interference ability of the circuit more accurate measurement results. Secondly according to the eddy current displacement s
5、ensor measurement range small, there exist nonlinear problem of sensor to improve it puts forward the idea of the eddy current is: first displacement detection sensors for displacement of the working principles and applications, research analyzed the coil cross-section shape and eddy current transdu
6、cer parameters on the linear measurement range and sensitivity influence; Again from circuit design of the sensor to improve stability and anti-jamming ability, so as to lay a foundation displacement measurement; extended range Finally based on displacement experiment eddy current sensors that analy
7、zed with eddy current sensor displacement measurement range of extension methods and improving the eddy current sensor method of nonlinear problems. Keywords: the eddy current sensor; Displacement measurement; Nonlinear; Measurement range 目 录1引言 4 1.1涡流检测技术的发展现状 4 1.2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.
8、1电涡流传感器的简介 6 2.1.1传感器构成及电涡流传感器的工作原理 6 2.1.2电涡流传感器等效电路分析 7 2.2电涡流传感器的应用 83电涡流传感器实验电路设计 9 3.1电涡流传感器侧位移原理 93.2数据处理 10 3.3实验所得结论的应用整合描述 134设想 13 4.1对电涡流传感器测量范围小和非线性问题改善的设想 13 4.1.1检测线圈的选择 13 4.1.2检测线圈的机械结构设计 13 4.2电路设计的方向 14 4.3设想总结 145 CSY-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 181引言1.1涡流检测技术的发展现状 早在1
9、824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
10、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(DEHu曲es)在1 879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
11、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
12、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。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
13、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
14、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
15、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：1. 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。
16、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：测量电路传感元件敏感元件 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
17、变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率，磁导率，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 H1 i1 H2 金属导体 H2 （ x i2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。 1 M 2 注：图中U1为1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
18、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： (2-1) 经求解方程组，可得1和2表达式：(2-2)由此可得传感器线圈的等效阻抗为: (2-3)从而得到探头线圈等效电阻和电感。通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。 (2-4)因此，通过上述
19、方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：本函数关系是一个多自变量的函数关系，虽然本函数关系为多自变量，但仍然非常适用，在生产产品的过程中所使用的数据是实验中得出的数据。其中，x为检测距离；为被测体磁导率；为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量L或Z等来测量x,p,f的变化的电路。2.2电涡流传感器的应用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
20、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。可测量内容如下：金属元件合格测量换向片测量裂痕测量轴承测量非导电材料厚度测量表面不平整度测量转速测量差动测量振动测量轴心轨迹测量胀差测量偏心测量等。3电涡流传感器试验电路设计位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的，一般来说小位移的测量通常有应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器等方法来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量，由于电磁测量方法能直接输出电信号，方便转化，易于控制，所以应用的最为广泛。电涡流传感器就属于电磁法的一种，结构简单，动态响应好，灵
21、敏度高，分辨率高，可实现非接触测量受介质。与接触式测量传感器相比，非接触测量的方法由于不接触可以减少磨损；与其他类型的位移传感器相比较，电涡流位移传感器具有长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、不受油污影响、结构简单等优点。3.1电涡流传感器侧位移电路原理1）电涡流传感器测量电路图（3.1.1）电涡流传感器安装示意图 图（3.1.2）电涡流位移传感器实验电路2）电涡流传感器侧位移实验基本原理通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚
22、度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离x等参数有关。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属以表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。3.2数据处理1.根据电涡流传感器侧位移实验接线图接线2.求取电压与位移的函数关系在这之前首先要对电压表进行校零, 因为当电压表示数为零时, 在理想状态下测微头值应该为零, 但实际测微头读数不为零, 记下当前位移值(补偿值) , 在以后测量中, 输出位移值都要进行补偿(即减去补偿位移值) 就得到了理论位移。“电压(测量值) ”显
23、示件用来直接显示位移传感器的输出电压值; “位移(理论值) ”用来表示补偿后的位移值。电压表校零后，调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启住机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，记录十个数据，绘出电压与位移的函数图形。分别在侧每隔0.5mm、1mm、2mm读一个数的十组数据。X(mm)00.10.20.30.40.50.60.70.80.9V(v)00.070.160.250.340.440.540.660.760.87 表（1）X(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04.5V(v)00.430.961
24、.592.283.033.804.575.336.03 表(2)X(mm)0123456789V(v)00.972.273.795.336.707.808.659.319.80 表(3)X(mm)024681012141618V(v)02.265.297.779.3210.1810.6610.6910.6910.69 表(4) 函数图中曲线1为理想曲线，曲线2为数据表所对应的函数曲线。对每组数据进行分析并和其所对应的函数曲线进行验证，经过四组之间的对比分析得出结论：传感器所测位移的线性范围在1.25mm-2.08mm之间，而传感器的外径为6.25mm。3.3实验所得结论的应用整合描述 由实验数
25、据和V-X曲线分析得到：由于电涡流效应的特性，传感器的线性量程很小，一般传感器的线性量程只有传感器探头外径的1/3-1/5。4设想 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。具体如下：4.1对电涡流传感器测量范围小和非线性问题改善的设想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。4.1.1检测线圈的选择电涡流位移传感器的检测线圈是传感器的核心部分，它的各种参数，如形状，内径，外径，厚度，以及缠绕用的材料都与传感器的性能参数有很大的关系。 对于检测线圈的参数的选择，我们总结前人研究成果，
26、可以得出以下几点： 1) 从形状对比：线圈截面面积对传感器性能有直接影响,不同截面的线圈产生的集肤效应不同，对于用于位移量检测的电涡流传感器，圆柱线圈比矩形柱线圈更适用 ； 2) 当线圈匝数密度相同时，线圈内径越小、外径越大、厚度越厚，传感器的灵敏度就越高，线性范围越小。反之也成立； 3) 线圈匝数密度对传感器性能影响较大，在相同的线圈几何参数下，线圈的匝数密度越大，传感器的灵敏度越高，线性范围越大； 4) 线圈截面形状对传感器性能产生重要影响， 其中倒梯形截面线圈磁场能量损失最少，在相同的位置磁场强度变化梯度最大。 根据以上总结前人的研究，得出：漆包线的直径越小，线圈匝数密度越大，而匝数越大
27、，传感器的灵敏度就会越高，线性范围也越大。 4.1.2检测线圈的机械结构设计 电涡流传感器的检测线圈对传感器的性能有着很大的影响，因此在绕制线圈的过程中，框架材料的选择也是非常重要的。为了减少温漂和干扰，我们要求传感器线圈的损耗小，热膨胀系数小，电性能好，因此在制作的时候多选用聚四氟乙烯，陶瓷，聚酰亚胺，碳化硼等材料；线圈的导线也是一个很重要的因素，一般采用高强度漆包铜线，如果要求更高，就要使用银线和银合金线，在高温条件下使用可以用铼钨合金线。4.2电路设计的方向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。1) 电涡流传感器的非线性问题 在传统标定的过程中我们
28、希望仪表的输入一输出关系具有直线特性，这样在信号分析电路部分可以很简单的用一个相移电路和放大电路就让输出电压和位移有一个很明确简单的对应关系。而且可以使传感器在测量范围内具有相同的灵敏度。但实际上许多输入输出关系并不具有直线关系，这样会使测量电路复杂化。由于实际测量的过程中，传感器的非线性性的存在就给传感器的测量带来了两个问题： 1.输出曲线经过拟合使实际曲线失真，最后输出的结果与实际结果有较大的误差；2.由于传感器线性度的限制，传感器最后的有效量程大大减小了，非线性部分的结果将变成无效的结果。 针对以上两个问题，设想结合虚拟仪器和pc机提出了一种方法，改善以上的问题。 2) 传感器人工标定的
29、误差问题 传感器标定装置在制造的过程中，仪器本身难免会存在微小误差；而工作人员在目测读数时也会出现误差，因此传感器的测量结果和工作人员的自身素质有关。作为传感器的标定人员，由于常年重复同的工作，体力和心理上都会出现疲惫，这样也会产生统计误差。但如果使用虚拟仪器和pc机结合的方法则可有效避免这种情况的发生。4.3设想总结对电涡流位移传感器实际等效电路进行分析研究，通过实验找出电涡流位移传感器的谐振频率，分析比较各种电涡流位移传感器信号转换电路，最后设计出了一种稳定的电涡流传感器电路；对电涡流位移传感器进行动态的标定，克服之前传统标定误差大的缺陷，对信号用matlab软件进行处理，扩展了传感器的测
30、量范围；采用虚拟仪器与pc机结合的方法解决传感器非线性性的存在所带来的问题。采用上述设想设计电路可改善传感器的非线性和量程小的问题。5 CSY-2000D型传感器检测实验技术台维修记录 CSY2000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌、示波器等组成。实验台主机箱可提供高稳定的15V、5V、+5V、2V-10V（步进可调）、+2V-+24V（连续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz30Hz（连续可调）；气压源020Kpa（可调）；温度（转速）智能调
31、节仪；计算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数显表；漏电保护开关等。 由于做毕业设计时要经常用到实验台发现实验室的一些实验台的功能块和模块是坏的，如：电压表、计时器、应变传感器实验模板和转动源等。为了使实验室的实验设备能在课堂实验中正常使用，对实验台的功能块和实验模板进行维修并做了如下记录：1.电压表功能块的维修检修步骤：1）观察电路板上的元件是否有明显的损坏，观察电路板接线是否有明显的烧焦及断线、短接等现象。如有的话则进行维修，维修后检测所谓修电路是否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。2）如无明显故障，则需使用万用表对电路板接线进行线路排查即排线。若排线存在故障，则对
32、其进行维修，直到所有线路排查接通无误，然后检测所维修电路是否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。3）如排线后所有接线正常接通，则需对电路板上的所有元器件进行测量，检测出损坏的元器件并进行更换。直到所有元器件检测无误后，检测所维修电路是否可以正常使用，若可正常使用则维修完毕。 电压表功能块原理图(5.1)实验台2电压表功能块损坏，经过检查后发现是电路板接线有断线，对断线进行焊接后检测电压表可正常使用，所以实验台2的故障为电路板接线断线。实验台3电压表功能块损坏，经过对电路板接线的排线，发现接线正常接通，对电路板上元器件的检测发现是晶体管内部损坏，因无法判断其型号最终安装一块新电压表。2.应变传
33、感器实验模板的维修应变传感器实验模板3605和3602调节旋钮损坏无法正常调节，打开模板检查后发现旋钮接线断开、用于固定旋钮的螺母松动。使用电烙铁将旋钮上接线焊接好，拧好用于固定旋钮的螺母，装好实验模板。3计时器功能块和转动源实验模板的维修 实验台1、6、7、8、9计时器都是LED显示正常，但在按下复位按钮时无法计时。打开实验台经过排线和元器件检测发现都没有问题，拆下复位按钮打开后：实验台1、7、9的复位按钮中垫片丢失，因实验室无法找到同样的垫片，所以用剥线的铜丝代替。实验台8按钮下的弹簧和垫片都已丢失，因为实验台6计时器无法维修，所以将实验台6的弹簧和垫片安到实验台8上。维修完毕安上复位按钮
34、，装好实验台。 转动源69、86、87、88无法正常测转速，经过检查后发现：69、88是因为光电继续器损坏而无法测速；而86、87是因为转轮与光电继续器摩擦而无法正常转动。结 论涡流测位移系统一般由电涡流位移传感器、信号测量电路、数据处理显示装置等部分组成，分别负责位移信号的检测、检测信号处理和转换、数据的处理和显示等功能。其中电涡流传感器和信号测量电路直接负责前端被测位移信号的检测获取和转换，是整个涡流测位移系统可靠工作的保证，直接关系到涡流测位移系统的测位移性能。由于信号测量电路得到的数据和位移之间是非线性关系，且因为电涡流效应的特性导致传感器的线性量程很小。 本次毕业设计通过对实验室电涡
35、流传感器实验电路进行研究，改进了实验电路并焊接出电路板。使用焊接电路板做测量位移的实验，记录数据并对数据进行分析，从而得出：由于电涡流效应的特性，传感器的线性量程很小，一般传感器的线性量程只有传感器探头外径的1/3-1/5。参 考 文 献1 任吉林，吴礼平，李林涡流检测北京国防工业出版社19852 张庆玲.检测技术理论与实践.北京：北京航空航天大学出版社，20073 陶红艳，余成波.传感器与现代检测技术.北京：清华大学出版社，20094 文丹.基于虚拟仪器的电涡流测距仪的研究硕士学位论文.武汉.华中科技大学.2009致 谢 本文由学校检测技术实验实训室老师、高级工程师老师主审。主审以高度负责的精神，认真仔细审看文稿，并提出许多宝贵修改意见。在此表示衷心感谢。在本次毕业设计完成期间还得到了本校校领导、电气系系领导、电气系教研室和实验实训中心领导的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。在此次毕业设计中经指导教师老师悉心指导，才得以完成本次毕业设计，在此对老师表示再次感谢。 由于编者水平有限，文中难免有缺点和疏漏之处，敬请读者批评指正。
