论文总字数：28271字

摘 要

电涡流传感器是以电涡流效应为原理的一种非接触式的无损检测装置。电涡流传感器在检测时对精度的要求极高，而探头是精度优化的关键，因此对电涡流振动传感器探头部分的阻抗进行计算分析与实验研究具有重要的理论指导意义。

论文中，采用理论计算与实际测量相结合的方法，对电涡流振动传感器的阻抗与位移的关系进行了研究。论文主要内容为：首先，陈述电涡流传感器的现状和未来发展趋势，分析屏蔽式电涡流位移传感器的基本工作原理及电涡流的影响因素，并对屏蔽式电涡流传感器的等效电路进行理论分析；其次，根据空心变压器模型建立了求解线圈等效阻抗的数学模型；然后，利用MATLAB编制阻抗计算程序，计算各频率下的阻抗，作出曲线-拟合图并计算误差，得出最优激励频率；最后，利用实验仪器对外直径为6.5mm、内直径为3.5mm的探头线圈在0.5MHz到1.2MHz的频率区间进行试验测量，得到实测阻抗随位移变化的关系数据并与理论值进行比较。

实验结果表明：1、传感器测量范围随激励频率的增大而增大。2、探头线圈的最佳激励频率为1.1MHz，最佳的测量范围为1.0mm—3.5mm。3、理论值与实测结果吻合，表明所建数学模型在进行频率优化时有重要理论指导意义。

关键词：屏蔽式涡流传感器 数学模型 MATLAB 激励频率 阻抗与位移关系

Abstract

Eddy Current sensor is a non-contact nondestructive testing device based on Eddy current effect. The eddy current sensor is very high in accuracy, while the probe is the key of precision optimization, so it is of great theoretical significance to calculate the impedance of the transducer part of the Eddy current vibration sensor.

In this paper, the relationship between the impedance and the displacement of the eddy current vibration sensor is studied by means of the combination of theoretical calculation and practical measurement. The main contents are as follows: first, state the current situation and future development trend of the eddy current sensor, analyze the basic working principle of the shielded eddy current displacement transducer and the influence factors of the eddy current, and analyze the equivalent circuit of the shielded Eddy current transducer theoretically; second, According to the model of hollow Transformer, the mathematic model of calculating the equivalent impedance of the coil is established, and the equivalent impedance of the excitation coil is calculated with the formula of the theoretical calculation. Then, the impedance calculation program is compiled by MATLAB, the impedance is calculated at each frequency, the curve-fitted graph is calculated and the error is Based on the experimental measurement of the frequency range of the probe coil with 6.5mm diameter and 3.5mm inner diameter in 0.5MHz to 1.2MHz, the relation data between the measured impedance and the displacement are obtained and compared with the theoretical value.

The experimental results show that: 1, the measurement range of the sensor increases with the increase of excitation frequency. 2. The optimum excitation frequency of the probe coil is 1.1MHz, the best measurement range is 1.0mm-3.5mm. 3, the theoretical value agrees with the measured result, which shows that the mathematical model has important theoretical significance in the frequency optimization.

Key words: Shielded eddy current sensor mathematical model MATLAB excitation frequency impedance and displacement relation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1选题背景 3

1.2电涡流传感器技术的发展及现状 3

1.2.1 国内研究现状 3

1.2.2 国外研究现状 4

1.3 电涡流传感器的特点 5

1.4 电涡流传感器的未来发展趋势 6

1.5 论文研究内容 6

1.6 论文结构安排 7

第二章 屏蔽式电涡流传感器的基本原理 8

2.1 屏蔽式电涡流传感器原理 8

2.1.1 电涡流传感器结构 8

2.1.2 屏蔽式电涡流传感器 8

2.1.3 电涡流传感器的测量原理 9

2.2 电涡流传感器的等效电路分析 10

2.3 电涡流传感器在发电厂中的应用^[20-22] 11

2.4 本章小结 12

第三章 电涡流传感器数学模型的建立 13

3.1 线圈模型的建立 13

3.1.1 线圈交流电阻 13

3.1.2 线圈自感系数 15

3.2 涡流计算环模型的建立 15

3.2.1被测导体中感生电涡流分布及均匀化处理 15

3.2.2 涡流计算环结构与参数 17

3.3 激励线圈与涡流计算环之间互感模型的建立 19

3.4 本章小结 21

第四章 理论计算与实验结果分析及结论 22

4.1 利用 MATLAB 编写计算程序并计算 22

4.1.1 计算流程图 22

4.1.2 计算结果 23

4.2 实验测试 26

4.3 实验与理论结果分析 26

4.4误差分析 32

4.4.1线性误差 32

4.4.2误差分析 33

4.5本章小结 33

第五章 总结展望 34

致 谢 35

参考文献 36

附件 38

第一章 绪论

1.1选题背景

在大型火电机组中，机械偏移和振动是旋转机械运行中的普遍现象，也是核心问题，是设备安全运行的主要指标。及时、准确、可靠而又经济地获取汽轮机组等设备所对应的振动信息对于了解机组的运行状况，进而确保设备能够安全稳定地运行具有极其重要的意义^[1]。在旋转设备发生故障时，通过监测所获得的振动信号可以为故障分析及诊断提供相应的依据。而这些旋转机械一旦发生诸如停机之类的故障将会造成极其严重的经济损失。以 600MW的火力发电厂为例，一旦火电厂的汽轮发电机组发生停机故障，仅火电厂自身用电消耗以及燃油消耗两个方面所造成的直接经济损失就约为五万到三十万元。且机组容量越大，其对应的总经济损失也就越大。转子相对于汽缸的膨胀量超出规定值就会出现报警甚至停机事故，是需要采用差胀监测仪表进行连续监测的参数。由于转子的体积较小，温升和热膨胀较快，而汽缸的体积较大，温升和热膨胀比较慢，同理，转子的冷却收缩也比汽缸的冷却收缩快^[2]。在汽机启动和停机时，由于金属材料的不同、热膨胀系数的不同、散热的不同，当轴的热膨胀超过壳体膨胀，将导致透平机的旋转部件和静止部件的相互接触，进而损坏机器^[2]。这样：．转子和汽缸之间就存在较大的相对膨胀差。因此保证旋转设备的平稳安全运行具有重要的社会经济效应，有必要对大型旋转设备的运行状态进行有效监测。

电涡流传感器作为涡流无损检测技术的工程应用实例之一。它具有线性范围大、环境适应性强、可靠性好、非接触、结构简单等多种优点。近年来，在国内外获得了迅速发展，并被广泛地应用于工业生产和科学研究等领域的位移、振动、转速等物理量的在线检测^[2]。因此对屏蔽式电涡流传感器进行阻抗分析与实验研究具有重要的理论指导意义。

1.2电涡流传感器技术的发展及现状

1.2.1 国内研究现状

国内对电涡流传感器技术的研究起步较晚，对电涡流检测的研制工作才经历近四十年，与欧美等发达国家之间尚有一定差距。以清华大学和南京航天航空大学为代表的研究机构取得了很大的成果。目前国产电涡流传感器所占的市场份额较低，相关公司的规模与国外公司相比较小，技术优势并不明显，产品性能不高，相关研究大多集中于高等院校以及部分科研院所。国内进行电涡流传感器研制工作的公司机构及科研院所主要有：北京万博振通检测技术有限公司（已成功研制出 3mm/5mm /18mm/60mm 等规格的传感器）、上海航振仪表公司（已成功研制出 HZ891XL 系列涡流传感器）、杭州自动化仪器厂（已成功研制出 CZF/BZF 系列涡流传感器）、东南大学（已成功研制出 SE 系列涡流传感器^[3]）、清华大学（已成功研制出 QH8500 系列涡流传感器^[4]）。

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