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浅谈电涡流位移传感器的发展历史和现状(一)

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发布日期:2018-05-15 16:43 浏览: 次

1.涡流传感器测量技术发展历史

电涡流(也称涡流,涡电流,傅科电流)指导体内部,因所处环境的磁场变化,根据法拉第电磁定律,产生的环形电流。电涡流在导体内部呈闭环流动,并处于垂直于磁场方向的平面内。电涡流可以由周围静态导体内通入交变电流带来的磁场变化所激发,例如,相对磁场运动的导体。特定闭环内的电流强度与所处环境的磁场强度成比例关系。回路面积,磁通量的变化与导体材料的电阻率成比例关系。

  
 
传感器探头里有小型线圈,由控制器控制产生震荡电磁场,当接近被测体时,被测体表面会产生感应电流,而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。注意:电涡流传感器要求被测体必须是导体。
 
电涡流位移传感器测量技术的历史:
最先发现电涡流现象的是 François Arago (1786–1853),第25任法国总统,数学家,物理学家和天文学家。1824年,他率先发现并命名旋转磁场,以及绝大多数导体均可以被磁化。他的发现后来被 Michael Faraday (1791–1867) 整理和最终完善。
 
1834年, Heinrich Lenz发布了楞次定律,感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
 
法国物理学家 Léon Foucault (1819–1868)于1855年发现,在磁场两级中间,旋转铜制圆盘所需要的力更大,于此同时,铜制圆盘受内部感生电涡流的作用而发热。
 
1879年 David E. Hughes 率先采用涡流技术进行了非接触测量,用于分拣金属被测物。
 
1980年,德国米铱公司率先将电涡流位移传感器用于工业生产环节检测
 
1988年,德国米铱公司发布了全球最小尺寸电涡流位移传感器,使得在安装空间受限的情况下,也可以采用电涡流原理获得精准的测量数据。
 

2.电涡流传感器测量原理

 
根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关,且切割不变化的磁场时无涡流),导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
 
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗),
 
这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变,则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数,虽然它整个函数是一非线性的,其函数特征为“S”型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。于此,通过前置器电子线路的处理,将线圈阻抗Z的变化,即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化,电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。


3.电涡流传感器的结构设计


德国米铱eddyNCDT系列电涡流传感器,全球最小电涡流传感器探头


根据下面的组成框图,构成传感器。
 
 
根据组成框图,具体说明各个组成部分的材料:
(1)敏感元件:传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用,从而产生被测信号的部分,它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成,线圈框架的材料是聚四氟乙烯,其顺耗小,电性能好,热膨胀系数小。
(2)传感元件:前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子,测量电路完全装在前置器中,并用环氧树脂灌封。
(3)测量电路:在下面会具体介绍。


4.电涡流传感器测量电路和特性

电涡流传感器的谐振调幅电路如图2(a)所示。这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压变化。传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。晶体振荡器产生一个频率及幅值稳定的高频信号来激励谐振回路。LC回路的输出电压为:
u=i0F(Z)
 
式中i0为高频激励电流,Z为LC回路的阻抗。可以看出,LC回路的阻抗Z越大,回路的输出电压越大。
 
当改变金属导体与传感器线圈之间的距离x时,引起传感器线圈等效电感L发生变化,即回路的等效阻抗Z变化,从而使谐振回路输出电压u变化。谐振回路的输出电压u就成为距离x的单值函数,只要测出的变化量就能确定金属导体与线圈之间距离x的变化量。如图2(b)所示。x-u曲线的非线性程度受线圈尺寸参数的影响,合理设计线圈尺寸参数能使传感器的非线性误差较小,而又不会使灵敏度降得太多。从图2(b)可以看出,电涡流传感器的输出特性是一条光滑的曲线,这条曲线的形状比较近似于直线,可以用一条最接近于该曲线的直线来代替。

 

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