学文网摘 要： 电涡流传感器具有对介质不敏感、非接触、全方位智能测量等特点，广泛应用于对金属的距离检测中。为提高普通电涡流传感器的灵敏度和增大检测距离，设计了一种新型非接触宽线性范围的位移电涡流传感器。实验结果表明，当电涡流传感器的探头直径为50 mm时，测量位移在2～29.5 mm之间线性度较好，在0～2 mm和29.5～35 mm中存在一定的非线性。
关键词： 电涡流传感器； 探头； 测量电路； 非接触测量
中***分类号： TN911?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0140?03
0 引 言
电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测。其可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心——转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的各种运行状态，测量结果可靠、可信。本文主要针对电涡流传感器对金属的探测距离小，而在某些场合可能需要远距离金属探测的这种情况。本文设计了一种新型非接触宽线性范围的电涡流传感器，能提高电涡流传感器的灵敏度和检测距离。
1 电涡流传感器测距原理
***1所示为电涡流测距原理***。在***1中，当传感器头部线圈充有电流I时，在头部线圈中心附近就会产生磁场H1。由电磁场理论可知，当磁场H1附近没有金属或远离金属时，则发射的磁场能量就会释放；反之，则金属的表面将会在H1中感应产生涡流电场，该电场同样也会产生交变磁场H2，方向与H1相反。在H2的驱动下，传感器头部线圈电流I的幅度大小和相位就会不断变化改变，即线圈的有效阻抗会发生变化。这种变化的大小与传感器头部线圈到金属导体的距离等参数有关[1?3]。
在实际设计中，线圈密封于探头中，线圈阻抗的变化通过如***2所示的电子线路将其转换成一定量的电流或电压输出。晶体管T与电容[C1]，[C2]和探头线圈[L]构成电容三点式振荡器，振荡器的输出的电压幅度[Ux]与线圈阻抗成比例，因此改变被测金属与探头间距[d]，振荡器输出的振荡幅度[Ux]就会与探测间距[d]成近似成比例变化。[Ux]经检波、滤波、放大和非线性校正后输出电压 [1?3][Uo]。
2 电涡流传感器设计
2.1 探头的设计
对电涡流传感器而言，探头的设计比较关键。探头典型结构见***3所示，由头部（头部内嵌入线圈）、壳体、高频电缆、高频接头组成。头部直径取决于其内部线圈直径，线圈的直径决定传感器系统的基本性能—线性量程。
线圈是探头的核心，它的线圈的物理尺寸和电气参数设计对整个传感器系统的敏感产生重要影响。传统的传感器线圈设计手工绕制多个，然后对多个线圈逐个反复测试，从而求得最佳的线圈尺寸参数。现在，可借助计算机利用辅助设计软件将探头设计所需参数输入，传感器的输出电压随探测间距[d]的变化就可以计算得出，这样大大缩短了设计时间[3?5]。
2.2 振荡、整流滤波、放大和电压/电流转换器电路设计
本文所设计的电涡流传感器振荡、整流滤波和放大电路如***4（a）所示。晶体管T1 、电容[C2]，[C3]、探头线圈和运放A1A组成正反馈振荡电路，其谐振频率为[12πLC]。本文采用调幅法，当探头线圈远离被测金属时，[LC]并联谐振回路的谐振频率为[12πLC]，当探头线圈接近被测金属时，线圈的等效感抗发生变化，致使回路失谐而偏离谐振频率，振荡器输出的振荡幅度相应减小，使输出电压也减小，所以，输出电压与测量距离建立起函数关系，即[Uo=f（d）]。
***4（a）中，二极管D1和电容C4，R7，C5构成整流滤波电路。整流滤波的作用是将高频电压信号转换成直流电压。运算放大器A1B完成对前级输出的直流电压信号的放大和调零作用。
其中调零电路是为了保证测量为零时，输出电压也为零，以免产生输出误差。该电路需要6.8 V的直流基准电源，由***4（b）电路来完成。
***5是一个由运算放大器构成的电压/电流转换器，通过简单计算可得输出电流和输入电压之间的关系：[Io=Vo100×120300]，这样就实现了传感器的电流输出。
3 实验结果
在+24电源供电，负载为10 kΩ，被测试件材料为40CrMo，环境温度20 ℃的测试条件下，对所设计探头直径为25 mm和50 mm的电涡流传感器进行测量，所测结果如表1所示。
4 讨 论
4.1 被测体尺寸与材料的对测量的影响
在测量过程中，被测金属导体的磁导率[μ]、电导率[σ]、尺寸因子[r]介对测量也有影响，因此除了探头、前置器、延伸电缆决定传感器系统的性能外，被测体的性能参数也对整个传感器系统的性能产生影响，如被测体表面的直径大小对测量有影响。一般地，为使测量更准确，当被测体表面为平面时，被测面应为探头头部直径的1.5倍以上为宜；当被测体为圆轴时，被测轴径应为探头头部直径的3倍以上为宜。被测体的厚度对测量结果也会产生影响。因此如果被测体厚度不够使传感器的灵敏度就会下降，通常钢等导磁厚度大于0.1 mm以上，铜、铝等弱导磁材料厚度大于0.6 mm以上的则不会影响测量的灵敏度[6?8]。
4.2 不规则被测体表面对测量的影响
在振动测量中不规则被测体表面会给实际的测量值造成误差，这些不规则被测体表面包括表面存在洞眼、刻痕等缺陷。如果被测面表面粗糙度较高，可以现对被测面进行衍磨或抛光后再测量，这样准确度就会明显提高（一般表面粗糙度Ra不超过0.8～1.6 μm）。
5 结 语
实验结果可看出：所设计的电涡流位移传感器，测量位移线性范围宽。在探头直径为50 mm时，电涡流传感器的线性度在2～29.5 mm之间，在29.5～35 mm和0～2 mm中存在一定的非线性误差，如果在上位机软件中采用线性校正可以进一步提高测量范围。
参考文献
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