论文总字数：27285字

摘 要

电涡流传感器基于电涡流效应，可实现非接触测量。电涡流传感器具有许多突出优点，包括结构简单、抗干扰能力强等。其特点非常符合发电厂汽轮机组的状态监测和故障诊断系统的实际需求，因此在电厂中得到了广泛应用，保证了机组的安全、经济运行。

但在实际运用中，电涡流传感器仍存在一些不足，需要对其进行优化设计，目前主要措施是改进和优化测量电路。本文首先设计了包括振荡电路、整流滤波电路和放大电路在内的完整的传感器测量电路，并在Multisim14.0仿真平台上对对该测量电路进行了仿真实验和优化。其次，在实验室绕制了直径 8mm 的探头线圈，分别测得了四个不同工作频率下传感器线圈电感—位移变化数据。然后将针对实验数据进行仿真分析，分别得到了不同工作频率下电涡流传感器输出电压—位移曲线，然后在各频率下，划分区段，分析了输出电压的非线性误差。最后，简单介绍了增大电涡流传感器量程的非线性补偿方案。

基于实验与仿真数据，综合考虑非线性误差和测量灵敏度后，认为该电路在测量1.5mm-2.5mm位移且工作在600kHz频率时输出特性最良好。这与工程应用中的电涡流传感器输出特性基本相符。

关键词：电涡流传感器；非接触测量；振荡电路；参数优化；非线性误差。

ABSTRACT

The physical principle of eddy current sensor is Eddy current phenomenon, which can use non-contact measurement mode to complete the measurement process of required parameters. Compared with other sensors, the sensor has many advantages, such as simple circuit structure, good stability of testing process, and good test accuracy. Based on the above structure and performance characteristics of eddy current sensor, it is suitable for the application of condition monitoring and fault diagnosis system in power plant steam turbine Group, so as to improve the stability and reliability of unit operation and economic operation at the same time.

There are still some shortcomings in the eddy current sensor in practice, which need to be optimized. At present, the main measure is to improve and optimize the measurement circuit. Firstly, a complete sensor measurement circuit including oscillator circuit, rectifier filter circuit and amplifier circuit is designed, and the measurement circuit is simulated and optimized on Multisim 14.0 simulation platform. Secondly, a probe coil with a diameter of 8 mm was wound in the vibration center laboratory, and the inductance-displacement data of the sensor coil at four different operating frequencies were measured. Then, the output voltage-displacement curves of the eddy current sensor at different operating frequencies are obtained by simulation and analysis of the experimental data. Then, the non-linear error of the output voltage is analyzed by dividing the sections at different frequencies. Finally, the non-linear compensation scheme to increase the measurement range of eddy current sensor is briefly introduced.

Based on the experimental and simulation data, considering both the non-linear error and the measurement sensitivity, it is considered that the circuit has the best output characteristics when measuring the displacement of 1mm-3mm and working at 1MHz frequency. This is basically consistent with the output characteristics of eddy current sensors in engineering applications.

KEY WORDS: eddy current sensor; non-contact measurement; oscillating circuit; parameter optimization; non-linear error.

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 电涡流传感器的研究现状与应用 1

1.1.1 电涡流传感器简介 1

1.1.2 电涡流传感器的分类 1

1.1.3 电涡流传感器的研究现状 2

1.1.4 电涡流传感器的应用 3

1.2 电涡流传感器的原理 6

1.2.1 电涡流传感器的原理 6

1.2.2 传感器的组成 6

1.2.3 等效电路分析 7

第二章 测量电路的分类 9

2.1 电桥测量电路 9

2.2 谐振测量电路 9

2.2.1 定频调幅测量电路 10

2.2.2 定幅调频测量电路 12

第三章 电路设计 13

3.1 振荡电路 13

3.1.1 基本原理 13

3.1.2 三点式振荡器分类 14

3.1.3 振荡电路设计 15

3.2 隔离电路设计 21

3.3 整形电路设计 23

3.4 后续电路设计 25

3.5 整流电路设计 25

3.6 放大电路 26

第四章 实验数据与仿真优化 29

4.1 数据收集 29

4.2 电路优化 30

4.3 仿真分析 32

4.3.1 非线性度 32

4.3.2 工作频率优化 36

4.3.3 非线性补偿方案 38

第五章 总结 41

绪论

电涡流传感器的研究现状与应用

电涡流传感器简介

电涡流传感器作为一类现代测量传感材料，其功能在于能够采用非接触测量模式完成所需参数的测量过程，其工作的物理原理是电磁感应与电涡流现象^[1]。

该传感器相较于传统的接触式的传感材料，其测量过程中涉及的物理原理较为简单，而且可测量的参数范围较广，测试过程的精准度较好，测试效率比较高，测试结果稳定性优良，在实际运用中，表现为长期工作可靠性好、结构简单且便于安装、不受油污等介质的影响、能够测量多种参量，且不会对被测工件造成损伤。由不同导电材料制成的工件，在交变磁场中会产生不同振幅、相位的涡流值，通过对于这些涡流信号的识别和区分，可以实现对工件的缺陷的检测和对镀层或涂膜的厚度的测量 ^[2]。

在电厂中，主要用于实时监测汽轮机转子不平衡、不对中、机械磨损、轴裂纹等机械问题。

电涡流传感器的分类

对于不同类型的导体，其涡流渗透深度存在较大差异，因此依据其渗透深度差异，将其分为如下两类电涡流传感器：

1、高频反射式涡流传感器

其中的探头线圈同时兼具有信号发射与接收功能。也就是借助探头让金属导体获得电涡流，又由该探头接收该信号的变化。

该种电涡流传感器在测量中，主要受到被测物体的材质以及表面质量的影响。通常，当被测物体的电阻率越大、磁导率越小时，能引起线圈阻抗更大的变化量，即传感器的灵敏度更高。当被测物体表面存在厚度、性质不均匀的镀膜时，由位移变化产生的输出信号会不均匀，造成测量过程中的干扰，使灵敏度降低。

2、低频透射式涡流传感器

由于趋肤效应，涡流常存在于被测金属导体表面。但是当激励频率越低时，涡流透入深度越大。而该类传感器的工作机理也正是如此。

其硬件结构中包括发射线圈以及接收线圈。在参数测量过程中，发射与接收线圈分列在待测量金属两边。二者之间没有被测导体时，发射线圈产生的磁场直接作用在接收线圈上，当二者之间存在被测导体时，导体上感应出的涡流将损耗一部分能量，使接收线圈的输出信号减弱，确定该输出信号的变化即可确定相应参数的变化。

低频透射式涡流传感器通常用于测量导体厚度，频率较低时线性良好，测量范围较大但灵敏度较低，且在高频时性能急剧下降。

电涡流传感器的研究现状

虽然电涡流传感器优点众多，但在实际运用中仍然存在一些不足，如靠近最大量程时线性变差，导致测量范围有限；不同被测材料产生不同振幅、相位的涡流，使电涡流传感器对被测材料敏感；易受温度影响产生温度漂移，使误差增大；测量结果易受到被测体表面性质的影响等。目前的研究方向主要是弥补以上不足。

1、位移测量的改进

电涡流传感器最基本、最重要的功能是测量位移。位移量通过一系列物理运算，可以变换和转换成其他物理量，因此，位移量实际上可以反映其他许多参数的变化，所以测得了位移量的变化，就可以得到这些对应量的变化。

研究重点一方面在于扩大位移电涡流传感器的量程，在相关论文中，讨论了拓展量程但不降低测量灵敏度的方案，可以实现远距大位移的精确测量 ^[3,4]。拓展电涡流传感器量程的本质是要改善传感器靠近最大量程处的传输特性，常在测量电路中加入指数运算电路等非线性补偿环节，扩大传感器的量程。

位移测量的另一研究方向是探测磁悬浮转子轴向位移^[5]。相关论文介绍了一种新的测量思路，即利用被测导体的台阶表面来接收信号，从而达到检测沿传感器径向方向的位移的目的。该方法采用是在被测导体两侧布置两个对称的传感器，对两个传感器的输出进行求和，以减小非线性误差。

2.、电路优化设计

测量电路的优化设计是电涡流传感器研究的另一个重点方向。主要通过设计更优良的电路和参数的优化选择来实现^[6]。包括激励源的选择，谐振电路参数的优化选择，石英晶体振荡器的优化应用，前置放大器的优化设计，LC谐振电路稳定性改进等。

在振荡电路的设计中，测量电路频率稳定性对于测量结果准确性尤为重要。若谐振电路频率不稳定，振荡电路的输出波形会严重失真，即使后续信号处理电路设计得十分巧妙，输出结果也会产生很大偏差^[7]。设计标准性更好的振荡电路、保证回路品质因数、使用稳定电源电压、将LC谐振回路电磁屏蔽、远离热源等都能提高振荡电路频率稳定性。

3.、误差修正方法

温度漂移是电涡流传感器误差主要来源^[8]。在工业应用中，传感器探头常常需要在恶劣条件下工作，周围环境温度变化剧烈，温度漂移导致的误差也会相应增大。一方面可以基于实验数据，采用软件模型对误差进行修正，将实验和有限元仿真分析结合，另一方面还可以采用更先进合理的误差分析方法。此外，在硬件方面，通过采用差动补偿，改善线圈结构也可以减小误差。

总而言之，对电涡流传感器的主要研究方向是量程拓展、误差修正和非线性补偿等方面。

电涡流传感器的应用

1、汽轮机轴向位移测量

在汽轮机启动的过程中，因为汽轮机轴的工作环境决定其要面临高温高压反复冲击，因此容易诱发轴向位移。假如所述的大于安全限轴向位移，那么推力轴承负荷就会过大，油膜遭到破坏，使推力轴承的轴瓦烧坏。转子窜动持续加剧，将导致转子和静止部件间的间距减小，甚至发生摩擦、碰撞，可能会导致汽轮机叶片折断、内部隔板和叶轮断裂等安全事故。为了保证汽轮机启动以及运行时的安全，需要实时监测主轴的位移情况，电涡流传感器在这种情况下得到了广泛的运用^[9]。

如图1-1，该测量装置由探头、前置器、监视器和稳压电源等组成^[10]。探头固定在汽轮机内部，工作时，探头将使汽轮机转子凸缘表面感应出电涡流，当二者距离发生变化时，探头电感L也将发生变化，在这种情况下，电感L是位移d的单值函数，二者存在确定的关系，由此可以通过探头电感L的变化可以监测转子的轴向位移。

图1-1测量装置组成示意图

图1-2为该测量装置电路原理图。前置器内有石英高频振荡器，该振荡器与耦合电阻R、LC谐振回路串联，提供稳定的高频激励信号。当探头周围没有金属时，即可认为位移d为正无穷，此时不会有互感，电路处于谐振状态，输出电压U达到最大值。当探头周围存在金属时，受到探头交变磁场的影响，金属表面将感应出涡流，涡流引发的交变磁场将使线圈电感L发生改变，使电路失谐，线圈增加，输出电压U降低。距离d越小，感应产生的涡流越强，输出电压U越小。输出电压经检波电路和放大电路处理，变为与检测距离d成正比的电压信号，根据该信号可以对机械进行监视和报警。依据检测距离d与输出电压U的数据，可以绘制转换特性曲线^[11]。

测量轴向位移时，具体安装部位及参数如图1-3所示。

图1-2电涡流式仪表工作原理

图1-3轴向位移探头安装部位

2、转速测量

电涡流传感器还可以对大型旋转机械的转速进行测量。

在电厂中，主要用于测汽轮机转速。此时，探头应垂直于转轴安装，同时还需要在转轴上以凹槽或凸起作为轴标记，当汽轮机主轴旋转一周时，凸起或凹槽将引起主轴与探头间位移的变化一次，从而导致输出电压变化一次，得到该变化周期即可换算得到汽轮机的转速，从而实现对汽轮机转速实时快速的监测。电涡流转速探头安装及标准键相器输出如图1-4所示。

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