电涡流传感器线圈阻抗特性分析与实验研究

论文总字数：29388字

摘 要

电涡流传感器是一种被广泛应用于工业生产和科学研究的无损非接触测量仪器。电涡流传感器的探头线圈阻抗特性能够随被测位移变化而变化，从而达到测量的目的。因此对电涡流传感器线圈位移阻抗特性的研究有助于指导对传感器的优化设计。

本文通过实验测量与理论计算相结合的方法，探究了电涡流传感器线圈阻抗特性与位移的关系。文中首先将电涡流传感器复杂的物理模型简化为变压器模型，在激励频率为1MHz时，建立Φ25mm规格的探头线圈与45#钢的被测材料之间所对应二维参数化模型，并进行理论计算，由此得出电涡流传感器线圈阻抗特性与位移之间的变化关系；接着搭建实验平台，测量相同规格探头线圈在相同被测条件下的实际阻抗位移特性，并比较理论数据与实测数据之间的误差；最后，还探究了线径的变化对电涡流传感器阻抗特性的影响。

理论计算得出的结果为线圈等效阻抗先随位移接近线性变化，之后斜率逐渐减小，最终趋于直线。实际测量结果与理论计算相似，但由于数学模型的不完善而在数值上存在误差。同时，理论计算与实验结果都表明，在1MHz的激励频率下，Φ25mm规格的探头线圈在测量45#钢的位移变化时，最优线径为0.21mm。

本文通过研究电涡流传感器的位移阻抗特性，为传感器的设计和优化提供了的理论基础。

关键词：电涡流传感器，探头线圈，位移，阻抗特性

A STUDY ON THE IMPEDANCE CHARACTERISTICS

OF THE EDDY CURRENT SENSOR COIL

Abstract

Eddy current sensors(ECSs) are widely used in industry field and scientific research as a nondestructive and non-contact measuring instrument. The impedance characteristics of eddy current sensor coil change when the tested displacements change, which makes it able to measure the displacements. The study of its impedance characteristics will be helpful to guide the design of the ECSs.

In this thesis, we research the relationship between the eddy current sensor coil impedance characteristics and the displacements of the tested material by comparing the contrast between the experiments and mathematical models. The complex physical model of ECSs is simplified to a kind of transformer model in this paper. The simulation, based on the dimensional parametric model which is established upon that Φ25mm probe coil and 45# steel examinee are under the excitation frequency of 1MHz, is designed to calculate and graph the relation between the ECS coil impedance characteristics and displacement. Then, the experimental platform is set up to measure the actual impedance and displacement characteristic of the probe coil with the same specification under the same condition, and to compare the theoretical data to the measured one for getting the error. Finally, we change the wire diameter of the probe coil in order to explore its affect.

The result of theoretical calculation is that the equavalent impedance will change almost linearly at first, then its slope becomes smaller and smaller and finally it tends to be a line. The experimental result are closed to the one above, but it has error in numberical value because of the imperfect of the mathematical model. Meanwhile, both computing and experimental result show that 0.21mm is the best wire diameter when the 45# steel is tested by Φ25mm probe coil under the frequency of 1MHz.

This paper offers the theory to design and improve the performance of sensors by searching for the impedance characteristic of them.

Keywords：Eddy Current Sensor, Coil, Displacement, Impedance Characteristic

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 电涡流传感器的研究现状 1

1.2.2 电涡流传感器的发展趋势 3

1.3 研究内容 4

1.4 结构安排 4

1.5 本章小结 5

第二章 电涡流传感器基本原理与应用 6

2.1 工作原理 6

2.2 测量电路 7

2.2.1 调频式测量电路 7

2.2.2 调幅式电路 7

2.3 电涡流传感器的应用 8

2.2.1 位移测量 8

2.2.2 振动测量 8

2.2.3 转速测量 9

2.4 本章小结 9

第三章 电涡流传感器线圈阻抗特性理论研究 10

3.1 等效变压器模型 10

3.2 变压器模型计算 12

3.2.1 线圈参数 12

3.2.2 被测体参数 13

3.2.3 线圈与被测体之间的互感 15

3.3 理论计算结果 16

3.2.1 计算数据 16

3.2.2 数据分析 20

3.4 本章小结 21

第四章 电涡流传感器线圈阻抗特性实验研究 22

4.1 实验准备 22

4.1.1 实验装置 22

4.1.2 实验步骤 22

4.2 实验结果 23

4.2.1 实验数据 23

4.2.2 实验结果 27

4.3 理论与实验的误差分析 27

4.4 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 工作总结 30

5.2 工作展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 研究背景

测量是获得物理量及其过程参数的一种手段。在被测物理量中，绝大部分属于非电量，如机械量、热工量与成分量等。非电量电测技术是将这些非电量通过各种手段转化为电量，从而进行准确测量的技术，它具有测量范围广、反应速度快、能实现连续测量与智能化测量等优点。在科学技术对测量的需求从静态向动态发展的今天，非电量电测技术得到了更加广泛的应用。

涡流检测是一种无损非接触检测技术，具有抗扰能力强、灵敏度高和结构简单等优点，在材质检测、表面探伤、大型动力机械的监护和诊断方面等到广泛的应用。电涡流传感器是涡流检测技术的应用实例，即一种非接触式的无损检测装置。在近几年内，电涡流式传感器已经被广泛应用在高精度的振动测量及位移测量上^[1]。

1.2 研究现状

1.2.1 电涡流传感器的研究现状

随着科技发展乃至工业生产对无损检测技术的需求和要求日益增高，电涡流检测技术及电涡流传感器逐渐步入工业化，并得到越来越广泛的应用。其主要应用有两方面：一是用做测试仪表仪器，二是用于监测保护系统。

美国本特利（Bently）公司研制出了世界上第一台电涡流趋近式测量设备，其研制生产的电涡流传感器目前占据主要的市场，此外，电涡流传感器的制造商还有德国的米铱（Micro-Epsilon）和日本的欧姆龙（Omron）等。而国内电涡流检测仪表的研制与投入使用不过十几年，由于起步较晚，与发达国家的水平还有一定的差距。

目前有关电涡流传感器的研究主要集中在其机理的研究与模型的优化、线性化的研究、应用范围的拓展、线圈几何形状的优化设计以及测量精度的提高等方面^[2]。各高校与科研院所在传感器探头优化、温度漂移、被测材料敏感性、测量范围拓展等方面都做了大量的研究，并取得了不少成果。

（1）电涡流传感器探头研究

检测探头是电涡流传感器的核心部件，电涡流传感器的研究往往是关于探头的研究。电子科技大学在探头线圈阻抗值的计算研究上，提出了理论计算与有限元法两种方法，结果表明这两种方法均适用于线圈阻抗的计算，并且相互验证了对方的有效性与正确性^[3]。同时他们从毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)出发，研究探头线圈几何参数与用于位移检测的电涡流传感器的关系，最终得出圆柱线圈更适合电涡流位移传感器的结论。并且基于之前所论证的有限元法，推导了在圆柱线圈匝数密度不变与改变情况下，其几何参数对传感器灵敏度和线性范围的影响^[4]。为了探究铁氧体磁芯对传感器线圈阻抗影响，电子科技大学还建立了含铁氧体磁芯的线圈阻抗理论模型，推导了单匝线圈阻抗的级数和矩阵形式，并通过积分获得圆柱线圈的阻抗表达式。该研究研究表明磁芯参数对被测材料具有敏感性，被测材料不同，对传感器性能的影响不同；铁氧体磁芯可以限定磁场在一定范围内，从而提高了传感器的灵敏度^[5]。中物院的机械制造工艺研究所以奥氏体不锈钢细槽为检测对象，通过正交实验的方法，对电涡流传感器探头参数进行了优化^[6]。上海交通大学为提高普通电涡流传感器的灵敏度和增大检测距离，提出了重叠双线圈和同轴三线圈两种电涡流传感器的结构，从理论上进行了分析，并通过仿真得出的同轴三线圈结构的电涡流传感器比普通传感器的测量距离远，灵敏度高^[7]。浙江大学以变压器模型为基础，从径向和轴向将探头线圈与被测体的涡流分布划分为单元，以单元为基础进行阻抗的求解，经实验证该改进变压器模型与实验值吻合度较高^[8]。国外还将单匝电涡流传感器简化为电感模型进行求解。

（2）电涡流传感器温漂补偿研究

电涡流传感器温漂包括探头温漂和前置器温漂。由于线圈电感温漂影响较小，故目前我国关于涡流传感器温漂补偿的研究主要集中在对检测线圈电阻的温漂补偿进行的，其补偿方法有以下几种^[10]：

①采用多股辫线。用互相绝缘的金属细导线束代替原本单股实心导线，可以有效减小线圈的交流电阻，即交流电阻在线圈阻抗中所占比例下降，因此减小了温度对线圈阻抗的影响。

②优化关联参数。由于线圈交流电阻受集肤效应和临近效应的双重影响且两者变化方向相反，故在一定的温度范围内，合适的关联参数的选择会使温度变化很小，从而达到温漂的自动补偿。

③拟合实验曲线，通过查表补偿。利用串联负温度系数NTC电阻对具有正温度系数的传感器线探头线圈阻抗进行粗略补偿。同时根据多次实验结果得到不同温度对应的修正量进行查表补偿，可以进一步提高传感器系统的温度稳定性。但该方法温度使用区间不大。

④传感器差动形式，采用差分电路，差动输出；差分电路由只对温度敏感的检测线圈和补偿线圈构成，工作时温度对补偿线圈与检测线圈的影响相互抵消，达到温漂补偿效果，从而提高抑制温漂的能力。

⑤传感器采用混合激励方式，将直流激励得到温漂信号加权叠加到交流激励的输出中，最终合成输出直流信号。

郑州大学提出了一种新方法用于补偿温漂，通过负反馈组成闭环系统实现对温度漂移的综合补偿，其准确度可达0.41%^[11]。吉林化工学院用实验测定了一定的数据，设计了神经网络补偿器，采用实验样本数据对神经网络进行了训练，训练后的神经网络能准确地预测温度对检测信号的影响^[12]。浙江大学通过对探头结构的改进、对检测电路的调整以及传感器输出级的温度补偿电路实现了在20℃到500℃之间具有良好灵敏度与线性度的电涡流传感器的设计，并且该设计能够有效地抑制温度漂移^[13]。中国工程物理研究院对电涡流传感器热稳定性标定技术进行了研究^[14]。

（3）电涡流传感器材料敏感性研究

电涡流传感器探头与被测体间的变压器型等效电路不受涡流深度的影响，但仅适用于非铁磁性材料，但在进行线圈阻抗计算时，被测体厚度不得小于涡流渗透深度的五分之一^[15]。电涡流传感器输出特性与被测对象的材料特性有着紧密联系，然而目前对于材料敏感性的的研究主要集中在非磁性被测体方向，被测体为铁磁性方向的研究较少。对于材料敏感性的问题，电子科技大学进行了基础理论研究，通过分析了不同被测材料时电涡流传感器的磁力线分布和线圈阻抗的变化，探究消除电涡流传感器输出与被测材料电磁特性的方法，并从有限元仿真和试验角度论证了方法的正确性^[16]。东南大学对电涡流传感器的材料敏感性问题进行了实验研究，对七种不同的被测材料进行了实验。通过处理实验数据，提出了一种能够消除敏感性的投影变换方法。对方法进行了数学推导和论证，并给出了一种实现该方法的电路结构方案^[17]。

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