（控制科学与工程专业论文）高温型电涡流传感器的设计研制.pdf

摘要 摘要 电涡流传感器是利用电涡流效应原理制造的一种非接触型的新型传感器。它 可以将位移、振幅、厚度以及裂纹等参数转换为电量进行测量，电涡流传感器同 时具有测量线性范围大、结构简单、频响宽、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油 污等介质的影响等优点，由于此传感器属于非接触型传感器，不存在机械磨损， 因此在电力、机械、冶金、无损探测等方面得到了广泛的应用。本文设计研制的 传感器应用在发电厂的空气预热器中，用来对漏风间隙进行非接触测量。由于使 用环境特殊，温度高( 4 0 0 1 2 左右) 且腐蚀性强，目前应用于此环境下的电涡流 传感器很少。 本文主要设计在高温、腐蚀性环境下使用的电涡流传感器，并且传感器要具 有长的使用寿命。因此根据实际情况，要解决传感器耐高温、耐腐蚀以及长期稳 定性等问题。综合以上考虑，高温电涡流传感器设计主要从以下几个方面着手： 一、在充分了解电涡流传感器基本原理的基础上，分析传感器线圈尺寸对传感器 线性测量范围以及灵敏度的影响，根据具体的使用要求选取台适的线圈尺寸，设 计合适的传感器探头的形状和结构，保证传感器探头的气密性，保护线圈不受腐 蚀。同时选用合适的抗腐蚀耐高温的探头外壳、线圈骨架以及线圈导线材料，提 高传感器的稳定性以及使用寿命。 二、设计性能可靠稳定的电路，使传感器具有良好的稳定性、重复性以及抗干扰 能力。 三、通过数字线性化方法，对传感器输出进行非线性补偿。由于温度对电涡流传 感器输出有很大影响，因此电涡流传感器附加一个测量温度的系统，通过测量得 到温度值来校准最后的间隙值。本文通过由串行通信连接的单片机和计算机共同 完成传感器输出信号的采集和处理，由计算机完成数值校准，这样可以方便在现 场实际情况下对传感器进行校准，同时使用计算机提高了传感器响应速度。 本课题通过一个模拟实际环境的电炉进行传感器数据采样和校准，在电炉试 验中，传感器最后结果具有良好的线性度以及准确度。 关键词：高温型电涡流传感器，空气预热器，温度测量，单片机，串行通信，数 值校准 a b s 订a c t a b s t r a c t e d d y c u r r e n ts e n s o ro i c s ) b e l o n g st ot h en o n c o n t a c t i n gs e n s o r st h a to p e r a t e so n t h e p r i n c i p l e o fi n d u c t i o no fe d d yc u r r e n t e d d yc u r r e n ts e n s o rc a nm e a s u r et h e p a r a m e t e r s o f d i s p l a c e m e n t ，s w i n g , t h i c k n e s s a n dc r a c k b yc o n v e n i n g t h e s e p a r a m e t e r si n t oe l e c t r i c a lp a r a m e t e r s e d d y c u r r e n ts e n s o rh a sl o t so f a d v a n t a g e ss u c h a sw i d e l i n e a d t ym e a s u r i n gr a n g e ，s i m p l es t r u c t u r e ，g o o dd e l i c a c y , g o o da n t i - j a m m i n g c a p a b i h t y n o te a s yt ob e a f f e c t e db yo i l - l i k e dm e d i u m ，a n di th a sn ow e a ra n dt e a r , s o i ti sw i d e l ya p p l i e dt ol o t so ff i e l d ss u c ha se l e c t r i c a le q u i p m e n t ，m e t a l l u r g y i nt h i s p a p e r , e d d yc u r r e n ts e n s o rw i l la p p l yt o t h ea i rp r e h c a t e ri nt h ep o w e rp l a n tt o m e a s u r ec l e a r a n c eo fa i rl e a k b e c a u s eo fl l i g ht e m p e r a t u r ea n dc o r r o s i v eg a si nt h e p r e h e a t e r t h e r ei sh a r d l ya n ye d d y c u r r e n ts e n s o r a p p l i e d t ot h e p r e h e a t e r b e c a u s eo fa b o m i n a b l ee n v i r o n m e n tm e n t i o n e d a b o v e ，e d d y c u r r e n ts e n s o rn e e d s t or e s i s th i g ht e m p e r a t u r ea n dc o r r a s i o n a n di tw i l lh a sg o o d p e r f o r m a n c e s oi nt h i s p a p e r , s o m em e a s n l 屯sa r ea p p l i e dt od e s i g nt h ee d d yc u r r e n ts e n s o r - f i r s t ，w es t u d y t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee d d yc u r r e n ts e n s o ra n dt h ed i m e n s i o n s o ft h ec o i l f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w es e l e c tt h ea p p m p r i a t ed i m e n s i o n so ft h e c o i l t h e nw ec h o o s et h eb e t t e rm a t e r i a lo ft h es h e l l ，f r a m e w o r ka n dl i n eo ft h ec o i lt o g e te x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nr e a le n v i r o n m e n t s e c o n d l y , t h em e a s u r i n gc i r c u i ti s i m p r o v e d t oh e i g h t e ns t a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yo ft h es e n s o lf i n a l l y , t h e d i g i t a ll i n e a r l z a t i o ni si n t r o d u c e di n t ot h en o n l i n e a rc o r r e c t i o n 。s i n c et h et e m p e r a t u r e i sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t st h eo u t p u to ft h es e n s o r , w e d e s i g nat e m p e r a t u r e s y s t e m t oc o r r e c tt h eo u t p u t b a s e do nc o m p u t e ra n d s i n g l e c h i p ，t h ew h o l e c a l i b r a t i o n s y s t e mc a nq u i c k l y c a l i b r a t et h es e n s o r h lt h i sw o r k ，a ne l e c t r i cr a d i a n ts t o v es i m u l a t e st h er e a le n v i r o n m e n t t h et e s t r e s u l t ss h o w st h a tt h es e n s o rh a se x c e l l e n t l i n e a r i t ya n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：e d d y c u r r e n ts e n s o r , a i r p r e h e a t e r , t e m p e r a t u r em e a s u r i n g , s i n g i e c h i p ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，d a t ac a l i b r a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：林阊 2 0 0 5 年3 月1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：美牛誓 学位论文作者签名：觫1 阚 扣u 婷) 月，日一心年j 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：林阍 2 0 0 5 年3 月1 日 第一章导论 第一章导论 1 1 传感器概述 传感器是一种以一定的精确度把被测量值转换为与之有确定关系的、并便于 应用的某种物理量的测量装置。当今信息化时代发展的过程中，传感器已经成为 各个领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要工具。传感器可以 用来进行信息的收集、信息数据的交换和控制信息的采集。传感器一般由敏感元 件、转换元件、转换电路等组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量 成对应关系的某一物理量的元件，转换元件则将敏感元件的输出量转换为电路参 数量，转换电路将电路参数量转换为电量输出。随着新型材料、新加工方法、半 导体技术、薄膜技术等的发展，特别是与计算机技术的有机结合，传感器向集成 化、多功能化以及智能化方向发展，传感器将在更大的领域内发挥作用。 1 2 课题来源 在大型火力发电场中，空气预热器是火电机组锅炉系统的重要组成部分，其 性能的好坏、运转是否正常直接影响到锅炉及辅机系统等的正常运行。回转式空 气预热器由转动的转子和固定的外壳组成，高温烟气自上而下流经转子的一侧， 加热传热元件( 转子) ，当已加热的传热元件转到另一侧时，待预热的外界冷空 气自下而上流经传热元件，把热量带走，从丽达到预热外界冷空气的目的，这样 可以提高进入锅炉系统的空气的温度，增加发电机组的热效率。空气预热器的转 子每旋转一周，完成一个热交换循环。 空气预热器是一种大型的转动装置，空气预热器的转子在转动过程中会将冷 空气带入高温烟气一侧，同时转子和外壳之间具有一定的间隙，也会使得冷空气 漏入高温烟气端，从而形成漏风。 由上所述，根据回转式空气预热器自身的结构，其漏风的原因主要有二种， 第一种是带风漏风，这是因为回转式空气预热器自身旋转时，造成冷空气随受热 面旋转进入烟气侧，形成漏风。这种类型的漏风是回转式空气预热器本身结构决 定，一般在设计转速下，其漏风率为1 左右，因此这种漏风不是主要的漏风。 第二种漏风是直接漏风，由于回转式空气预热器是一种转动结构，动静部件( 郎 转子与外壳) 之间总存在一定的间隙，特别是在运行中回转式空气预热器的热变 形使得间隙在局部进一步加大，运行时，由于流过传热元件的冷空气流压力比烟 气流压力高，预热器热端和冷端存在冷空气渗入烟气的泄漏。具体示意图见下图 第一章导论 所示： 图l - l 空气预热器漏风示意图 较高的漏风率不仅导致一次风压和排烟温度偏低，严重影响机组的正常出力 和尾部烟道以及电除尘等设备的健康运行。而且加大了一次风机、送风机、引风 机的电耗，使电厂的经济效应下降。据测算3 0 0 m w 机组预热器漏风率每降低1 ， 全年会节约1 2 0 万元。因此降低空气预热器漏风有着巨大的经济意义，为了能够 实现有效的漏风控制，需要在高温环境中准确地对由于转子受热变形而产生的漏 风间隙进行测量，通过测得的间隙值来控制调节装置，调节外壳中的扇板( s e c t o r p l a t e ) ，从而减小间隙。 传统的漏风间隙测量方法是接触测量法，即将机械探杆安装在空气预热器外 部，在运行中探杆定时探入空气预热器内部来测量间隙，来检查转子受热变形情 况。实际运行中此方法效果不佳，存在探杆磨损的问题，长时间运行则测量误差 增大。为了提高使用寿命，需要使用非接触测量方法，利用电涡流效应原理的电 涡流传感器为间隙测量提供了一种可行的解决方法。使用电涡流传感器也面临一 些难题，如：( 1 ) 电涡流传感器一般用于常温状态下，而在空气预热器中，温度 在4 0 0 - - 5 0 0 ，传感器耐高温的问题是需要解决的一个最重要的问题。( 2 ) 在 2 第一章导论 空气预热器，高温烟气中含有大量的腐蚀性气体，电涡流传感器应有良好的耐腐 蚀性能。( 3 ) 由于空气预热器温度不恒定，存在比较大的波动，如何减小温度变 化对传感器的输出的影响也是电涡流传感器设计中的一项重要内容。 本论文课题即研究一种稳定性好的电涡流传感器，可以长期在高温( 4 0 0 5 0 0 c ) 和有腐蚀性气体的恶劣环境下使用，并结合一个铂电阻温度传感器，对 空气预热器的漏风间隙进行准确的非接触测量。 1 3 课题内容 本文将研究一种耐高温、耐腐蚀的电涡流传感器，并能在4 0 0 - - 5 0 0 c 高温下 以及有腐蚀性气体的环境中使用2 3 年。就整个课题开发而言这是一个多学科、 综合性较强、较为复杂的课题。从硬件角度讲，包含探头设计、电源以及信号转 换电路等，从软件角度讲，包含串行通信设计、a o 转换、信号处理和校准等。 课题的具体任务主要有如下几个方面： ( 1 ) 设计传感器探头。传感器探头直接处于高温及高腐蚀性的环境下，探 头的设计是传感器设计的重点，探头质量好坏决定了最后输出数据的准确性和稳 定性根据电涡流传感器的理论知识，具体分析传感器探头设计原则，从而确定 探头材料以及机械结构和尺寸，并选择合适的线圈参数和导线材料。 ( 2 ) 传感器电路设计。电路部分对探头给出的信号进行准确处理及放大， 得到与所测间隙成一定关系的电压信号，同时电路为探头线圈提供稳定高频的激 励信号。 ( 3 ) 铂电阻温度传感器及相应电路设计。温度传感器系统与电涡流传感器 结合，使输出数据更加精确。 ( 4 ) 传感器信号处理a 通过单片机和计算机完成传感器输出信号的现场处 理，单片机和计算机之间通过串行通信相通讯。根据校准的最后结果进行预热器 间隙控制。 1 4 论文结构 论文第二章主要介绍电涡流传感器的相关概念，如电涡流传感器的发展历 史，传感器的工作原理，以及一些典型的应用。 第三章先对电涡流传感器和电感式传感器进行比较，有利于了解电涡流传感 器的优点a 随后介绍电涡流传感器探头的具体设计原则，如探头结构和材料选择 等内容。 第四章主要叙述电涡流传感器具体的电路设计，并对各部分电路做出分析。 第五章介绍传感器中测温系统的设计，包含测温元件选择和测温电路设计。 第一章导论 第六章主要是关于传感器信号的传输和处理的内容，通过单片机和p c 机结 合进行数据处理，使用串行通讯实现单片机和p c 机的数据传输。 第七章对课题做出总结。 4 第二章电涡流传感器相关概念 第二章电涡流传感器相关概念 2 1 电涡流传感器发展概况 在机械振动测量和监视研究中，提出了无接触测量问题。这是因为：( 1 ) 传 感器探头与被测物体表面接触，会磨损传感器探头，损坏传感器；( 2 ) 在某些场 合下，无法采用接触法来测量，如高速转动的转轴的振动测量。因此，无接触测 量方法以及仪器的研究，一直是测量技术发展的一个重要方面。在无接触测量的 传感器中，以前用的一般都为电感式和电容式二种。电感式传感器使用可靠，但 是体积大，测量的线性范围小；电容传感器体积小、结构简单、灵敏度高，但是 测量的范围小，测量值受到介质和电磁场的影响较大，在现场使用有困难，不能 满足实际应用中的要求。为了克服以上二种传感器的缺点，发展了种基于电涡 流原理的传感器，即电涡流传感器。 在1 8 2 4 年，加贝发现了铜板对摆动的磁铁具有阻尼现象，提出了涡流存在 的假说。1 8 3 1 年，法拉第发现了电磁感应现象，并提出了电磁感应定律。随后 麦克斯韦通过完整的数学方程式建立了严密的电磁场理论。1 8 7 9 年英国人休斯 ( d e h u g h e s ) 首先通过实验将电涡流现象与测量方法联系起来。在二十世纪的 四、五十年代并逐渐形成了一种实际的电涡流测试手段和技术，1 9 2 6 年，涡流 测厚仪闯世。德国的r e n t i q u e 研究所和美国的b e n t l yn e v a d e 公司相继研究了 电涡流传感器的原理，并研制出了相应的产品和仪器。目前，生产电涡流传感器 较多的国家是美、日、德、英等国家。由于电涡流传感器测量范围大、结构简单、 不受油污等介质的影响、频响宽、抗干扰能力强等优点，可以对位移、振幅、厚 度、裂纹等参量进行测量，国外已应用于汽轮机、空气压缩机等转轴的径向振动 测量和轴向位移测量。其在石化、电力、冶金、钢铁、机械等领域也得到了广泛 应用，成为工业设备运行中不可缺少的监测部件。 在我国，研制电涡流传感器仪器和产品也有几十年左右的时间，由于电涡流 传感器本身具有很多优点，一些研制的电涡流仪器产品已广泛应用于位移、振动、 转速、厚度、金属缺陷裂纹等工业测量。目前，电涡流传感器一般用于二个方面， 一是用于测试仪表仪器，二是用于监测保护装置。前者对传感器的精度、分辨率、 线性度、稳定性等技术指标要求较高，后者则对可靠性、线性范围、稳定性等技 5 第二章电涡流传感器相关概念 术指标要求高。随着生产发展和科技水平的进步，对测试仪表的要求越来越高， 尤其是要求高的仪器分辨率，对于测量静态位移，仪器还要有良好的温度稳定性 和重复一致性。本文即是测量高温下的机械位移，如何提高高温下传感器的稳定 性以及使传感器具有较高的分辨率是设计此传感器的重点。 2 2 电涡流传感器基本原理 2 2 1 传感器工作原理 $ j 上f ) 1 卜矿扩飞 图2 1 电涡流效应原理图 6 第二章电涡流传感器相关概念 当通有一定交变电流的，( 频率为d 的电感线圈l 靠近金属导体时，在金 属周围产生交变磁场h 。由于交变磁场h 。不断变化，致使置于此磁场中的金属 导体产生感应电场，在金属表面将产生感应电涡流，根据电磁感应理论电涡流也 将形成一个与交变磁场方向相反的磁场h 2 ，并反作用于线圈l ，从而引起线圈阻 抗发生变化。金属导体离线圈越近，电涡流效应越强烈，使得线圈的电感下降越 多。同时，金属导体靠近通有高频电流的线圈时，由于存在磁效应，会产生楞次 一焦耳热以及磁滞损耗，造成交变磁场能量损耗，也会影响到线圈的阻抗。 2 2 2 电涡流的径向分布及贯穿深度范围 线圈尺寸的大小直接影响到被测导体上电涡流的径向形成范围。电涡流的径 向分布可以通过麦克斯韦方程计算得到。在实际情况下，电涡流分布不均匀，电 涡流区的各处的涡流密度也不相同。涡流密度的径向分布比较复杂，一般通过分 割试验法来计算。根据分割试验法将被测导体看成一个环，其内径设为肋，外 径为肋。j ，为被测金属导体表面距离线圈轴斤处的涡流密度，如为距离线圈轴 肋( 外径) 处的涡流密度，则电涡流的径向分布如下图所示。 r r b 图2 2 电涡流径向形成范围 由图可见，电涡流范围随线圈外径大小变化而改变，并与线圈外径成固定的 比例关系。在瓞o 4 肋以内，基本没有电涡流：在线圈外径肋处，产生的电涡 7 0 0 0 0 0 1 、o r 第二章电涡流传感器相关概念 流密度最大；在舵：1 8 9 肋处，电涡流为衰减为0 。 电涡流的贯穿深度为： h 。p ( p ，巧) ( 2 1 ) 式中卜激励频率；p 导体电阻率；以导体磁导率。 由上式可知，激励频率，增大时，电涡流的贯穿深度劬或小，集肤效应越明显。 导体磁导率以增大时，磁屏蔽效应增强，导体电阻率p 增大时，电屏蔽效应增 强。 根据图2 2 ，被测导体外径应为线圈外径的二倍左右。同时被测导体厚度不 能太薄，导体厚度应稍大于电涡流的贯穿深度。 2 2 3 涡流损耗功率计算 电涡流传感器的物理基础是电涡流效应，金属导体具有电阻，有涡流通过时 就会消耗部分电磁能量。涡流引起的能量损耗，称为涡流损耗，可以用涡流损耗 功率只来表示。 如图2 3 所示，金属导体上的电涡流区域的厚度设定为j i i ，。，2 为电涡流 区域的内外半径。取一个涡流回路单元，半径为r ，宽度为办，其周长为f 扔r ， 则此回路上的电涡流损耗功率为d 只- e 2i r ， 式中r _ 回路单元的电阻，r - i s ，p 为导体的电阻率，。幼，s 。h d r 。 e 一一电涡流回路的感应电动势的有效值。感应电动势为 e 一d l d t 一石r 2 d b d t ，庐为回路单元中的磁通，口为回路单元中 的磁感应强度。设b - 丑。s i n。风为最大磁感应强度，将丑代入上 式得到p 一玎r 2 a j b 。, c o s r o t ，可得到电涡流回路的感应电动势的有效 值e 一石，2 吃云2 将e 、r 代入d 只- e 2 i r 得到 一r 皿学戌r 一警( r 2 4 - - r 1 4 ) ( 2 2 ) 根据上式，可以看出影响涡流损耗功率r 的因素有交变磁场的角频率m 、 最大磁感应强度风。、金属导体的电阻率p 、电涡流区域的厚度h 以及涡流区域 的内外半径n 、r 2 。 8 第二章电涡流传感器相关概念 图2 3 电涡流回路 2 2 4 电涡流传藤器的等效电路 电涡流传感器的等效电路图如图2 4 所示。电感线潮可看作变压器的初级线 圈l ，金属导体中产生的电涡流可以看作变压器的次级线圈。当对线圈l 施加激 励信号时，则在线圈的周围产生交变磁场，环状涡流也产生交变磁场，其方向与 线圈l 产生的交变磁场方向相反，因而抵消部分原磁场，线圈l 和环状电涡流 之间存在着互感m ，其大小取决于金属导体和电感线圈的距离x 。根据基尔霍夫 定律，列出以下方程组： r m 弋 图2 4 等效电路图 9 第二章电涡流传感器相关概念 f r ，+ j c o l i j o j m l l 一u 1( 2 3 ) l j c o m i + r i l l + j o d l d a = 0 方程中月，工电感线圈的电阻和电感； r j ，上厂一电涡流回路的等效电阻和电感： 【卜一线圈激励电压； 圩一电感线圈和金属导体之间的互感( m 随线圈和导体之间的距离减小 而增大) 。 根据以上方程式，得到 ，u h 蕊磊i 两 g 4 ) n 。i 而。百i 百蔷厂一 ( 2 5 ) 当电感线圈与被测金属导体靠近时( 考虑到涡流的反作用) ，线圈的等效阻抗可 由上式得到。 z=u=r+r1研m2mzi r i + j 三一者r lc t l ( 2 6 ) 2 + ( 础1 ) 。 i2 + ( 越i ) i m 叩 则线圈的等效电阻和电感为： 础们t 嵩 ( 2 7 ) 上钾2 三一三t 志。a i , 1 ( 2 8 ) r ，1 坤“， 由于涡流损耗、磁滞损耗使得阻抗的实数部分增大，线圈的等效电阻风。将 大于原来的电阻r 。在等效电感公式工。中，第一项工与磁效应有关。如果被测 导体为非磁性导体，为空心线圈的电感。如果被测导体为磁性导体，工将增大， 并随线圈与导体的距离值x 变化而变化。第二项与涡流效应有关，涡流引起的反 磁场使得电感减小，距离值x 越小，电感减小越多。 由于品质因数是反映电感器传输能量的本领。q 值越大，传输能最的本领越 大，即损耗越小。用公式表示为： 一观 世1 i ( 2 9 ) 1 0 第二章电涡流传感器相关概念 。一工作频率( = 2z ，) ，三一线圈的电感，骨一线圈的总损耗电阻。 则线圈的等效品质因数q 值为 o j l 阳 q e q = i 二 ( 2 1 0 ) 根据等效阻抗公式，电感线圈与被测金属导体靠近时，由于互感m 数值增大， 同时涡流损耗也变大，从而使得线圈阻抗的实数部分忍。增大，虚数部分工q 减 小，因此线圈的q 值降低。 因此，如果线圈与导体的距离值发生变化，线圈的阻抗z 、电感工以及线圈 q 值都将发生变化，所以传感器的转换电路可以选择z 、工、q 任一值作为参数， 转换为相应电量来测量距离x 。 2 3 电涡流传感器典型应用 金属在磁场中产生的涡流，存在集肤效应，同时电涡流的贯穿深度与传感器 线圈的激励信号频率有关，激励信号频率越高，电涡流的贯穿深度越小，反之降 低激励频率，涡流的贯穿深度将加厚，因此电涡流传感器可以分为高频反射型涡 流传感器和低频穿透型涡流传感器。 电涡流传感器可以对位移、厚度、表面温度、电解质浓度、速度、应力、材 料损伤等进行非接触式的连续测量，同时此类传感器还有体积小、灵敏度高、频 率响应宽等特点，在实际应用中效果良好。具体的典型应用有以下几个方面： 1 位移测量 根据线圈的等效阻抗公式，可知等效阻抗z 与被测金属导体的电阻率p 、 导磁率弘、激励信号频率，以及线圈与被测导体之间的距离x 有关。当p 、弘、 ，确定后，等效阻抗只与距离x 有关，通过适当的测量电路，可以得到输出电压 与距离x 之间的关系，一般测量的有效范围是扁平线圈外径的1 2 到1 5 之间。 按照输出电压与距离之间的关系，电涡流传感器可以用来测量位移，如金属材料 的热膨胀系数，炼钢炉中钢水的液位，汽轮机主轴的轴向窜动，钻孔深度的控制 等。电涡流传感器非接触测量位移，不受灰尘、油污以及涂料等介质的影响，并 且响应速度快。 2 振幅测量 使用电涡流传感器可以进行非接触测量各种振动的振幅，如机床主轴振动形 状的测量，使用多个传感器分布在被测轴附近，可测出在机床主轴振动时，瞬间 振动分布的形状。 3 转速测量 在一个旋转金属体上装一个个齿的齿轮，旁边安装电涡流传感器，当旋转 第二章电涡流传感器相关概念 体转动时。齿轮的齿与传惑器亘接的距离周期型的燹大燹小，电感量也随之燹大 变小。经电路处理后p - i l = ! a 周期性的输出信号，该输出信号的频率，可以用频率计 测出，然后换算成转速为 n 。喜6 0 ( 2 1 1 ) 、7 其中n 为转速( r m a n ) 。 0 、传昌 迭轮 图2 5 转速测量示意图 第三章电涡流传感器探头设计 第三章电涡流传感器探头设计 3 1电感式位移传感器与电涡流位移传感器设计的区别与联系 在机械位移测量传感器中，电感式位移传感器也是使用较广泛的一种传感 器。电感式传感器主要特征是具有线圈绕组，一般利用磁场作为媒介或者利用铁 磁体的某些现象将被测量转换为线圈的自感或者互感，再将自感或者互感工接入 一定的转换电路，转换成电信号输出。电感式传感器具有结构简单可靠、抗干扰 能力强、输出阻抗小等优点。其中电感式位移传感器是根据磁路磁阻的变化引起 传感器电感工的变化来检测机械位移的。 3 1 1 电感式位移传感器结构组成 电感式位移传感器一般由线圈、铁芯等组成。一般结构图见下图。铁芯与金 属导体具有空气间隙，间隙不大时，磁路可以看成为封闭的磁路。间隙变化时， 将引起磁路总磁阻发生变化，从而导致线圈电感工变化。 图3 1电感式位移传感器结构示意图 第三章电涡流传感器探头设计 3 1 2 电感式位移传感器工作原理 根据上图3 1 ，当金属导体发生位移时，导致铁芯底端与金属导体之间的空 气间隙发生变化，线圈的电感量随之也改变。 r 2 根据线圈电感定义有：线圈电感量为l - ： ( 3 1 ) “m 其中为线圈电感；为线圈匝数：j k 为磁路的磁阻。 根据以上电感式位移传感器的一般结构示意图可知，磁路的总磁阻由铁芯磁 阻r | 、金属导体磁阻r 2 以及铁芯底端与金属导体之间的空气问隙磁阻r 3 组成， 则磁路总磁阻为： r 。一r 1 + 震2 + 马 ( 3 2 ) 铁芯磁阻硒：尼。土 1 p l 式中& 为铁芯各段总长度：z l 为铁芯的磁导率；丑为铁芯截面积。 金属导体磁阻r z ：r 量 。p 2 a 2 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中岛为金属导体导磁部分的长度；, u 2 为金属导体的磁导率；也为金属导体截 面积。 空气间隙磁阻风：见。堕 p 3 4 ( 3 5 ) 式中岛为空气间隙的长度；肛，为空气的磁导率；a ，为空气间隙截面积。 由于空气的磁导率心接近真空磁导率u 。，铁芯一般为硅钢片，其磁导率为 7 0 0 0 1 0 0 0 0 , u 。，金属导体一般为钢或者铁，其磁导率p ：也远大于真空磁导率 肛o 。因此有r 1 r 3 ，r z r 3 。 则磁路总磁阻可简化为： 线圈电感量为： 霸一玛一鲁 三；里n 一2 3 a ar m2 s 3 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 根据上式，2 z ，a ，基本固定不变，线圈电感随空气间隙的长度岛的变化而变 化。当铁芯底端与金属导体之间的空气间隙岛减小时，线圈的电感增大。 电感式位移传感器由于存在铁芯的涡流损耗，线圈的电源频率一般较低，有 1 4 第三章电涡流传感器探头设计 利于降低铁芯的涡流损耗。同时金属导体也会产生电涡流，由于线圈的电源频率 较低，交变磁场变化频率也低，金属导体中的电涡流效应不显著，金属导体中的 电涡流产生的反向磁场较弱，对原交变磁场影响很小，可忽略不计。 3 1 3 电涡流位移传感器的优点 由于位移传感器要安装在火力发电机组的空气预热器内，对漏风间隙进行测 量。传感器的工作温度为4 0 0 左右高温，工作环境还存在腐蚀性气体。传感器 的量程为0 2 0 m m ，精度为1 r a m ，而且不进行维护能使用2 3 年。 由于传感器工作温度高，电感式位移传感器不适合在此环境下工作。主要原 因有如下几点。 ( 1 ) 首先在高温下，构成电感式位移传感器铁芯的硅钢片之间的绝缘漆失效， 硅钢片之间相互连通，使得铁芯的涡流损耗增大，极大影响了电感式位移传感器 稳定性以及灵敏度。 ( 2 ) 在高温下，硅钢片的导磁率变化大，同时硅钢片之间的空间绝缘降低，硅 钢片的导磁率大大降低，从而难以准确测量空气间隙的长度。 ( 3 ) 绕制线圈用的铜导线的电阻温度系数大，温度升高时，电阻显著增大。品 t r 质因数q 一半减小。由于品质因数是反映电感器传输能量的本领，q 值越大， 传输能量的本领越大，损耗越小。品质因数减小使得损耗增大。 考虑到电感式位移传感器在高温下存在以上缺点，采用电涡流传感器。电涡 流传感器相对于电感式位移传感器去掉了铁芯，将线圈的铜导线改为电阻温度系 数小的康铜导线，同时将线圈的供电频率提高到1 0 0 k h z 。一般电涡流传感器的 结构如下图3 2 所示。 电涡流传感器去掉铁芯，省去了电涡流铁芯的涡流损耗。线圈导线选用电阻 温度系数小的康铜导线，使得传感器的温度稳定性增加。传感器的线圈供电频率 选为1 0 0k h z ，增大了线圈的品质因数，同时产生的交变磁场的频率也增为1 0 0 k h z ，这样使的金属导体的电涡流效应增强。感应电涡流形成一个与交变磁场方 向相反的磁场，因而抵消部分原磁场。根据电感式位移传感器的线圈电感量计算 公式可得，电感式位移传感器在金属导体靠近线圈时，线圈的电感增大，而电 涡流传感器则相反，其在金属导体靠近线圈时，线圈的电感工减小。 以电涡流效应工作的电涡流传感器也存在电感效应，电涡流效应使得金属导 体靠近线圈时，线圈的电感l 减小，电感效应使得金属导体靠近线圈时，线圈的 电感三增大。但在线圈激励频率较高的情况下，电涡流效应大于电感效应，使得 线圈的电感工减小，传感器以电涡流效应方式工作。 第三章电涡流传感器探头设计 线圈骨架 高频锋圈医二z j 孑刀丁一i r _ 了7 _ 彳；二z = j ：刁 崔型7 ：纠i 彬：，匕鋈对 l ，7 r 7 j “f r 1 一 磁场jl ， 7 ? 图3 2 龟涡流位移传感器示意图 3 2 电涡流位移传感器探头的设计要点 设计任何一种传感器总希望传感器的灵敏度高，线性范围大。电涡流传感器 的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁感应强度和分布范围有关。磁场沿径向分布 范围大，则线性范围大，轴向磁场梯度大，则灵敏度高。这些性能又与传感器线 圈的形状和尺寸有关。根据以上关系可以确定线圈的形状和尺寸参数。 为了测量扁平线圈的有关参数，将线圈设计成扇平中空状，匝数为的载流 扁平线圈所产生的磁场，可以看成是众多的单匝线圈磁场叠加而成。 ( 1 ) 单匝载流圆线圈在轴向上的磁感应强度，可以根据毕奥一沙伐尔一拉普拉 斯定律来确定， f2 啡。等南 8 式中，乒。为真空磁导率，为激励电流，为圆线圈半径，工为轴线上某点p 到 线圈平面的距离。当电流一定时，设定p 。1 2 为常数，根据上式可以确定不同半 径下的见赁关系曲线。由m a t l a b 仿真得到线圈半径r 为3 m m 、5 m m 、8 r a m 时的昂吖关系曲线，如下图所示。 1 6 第三章电涡流传感器探头设计 图3 3 线圈轴线上昂x 关系曲线 由以上曲线可知：当。1 2 固定时，半径小的载流线圈，在靠近线圈处的磁 感应强度大，但轴向磁感应强度衰减得快：半径大的载流线圈，其磁感应强度在 靠近线圈处虽然较小，但轴向磁感应强度衰减得慢，远处的磁感应强度比半径小 的线圈大。因此得到以下比较结果： a ) 导体与线圈之间的距离z 较小时，线圈半径r 小的线圈，产生的磁感应强度 大。 b ) 导体与线圈之间的距离z 较大时，产生的磁感应强度减小，线圈半径，小的 线圈产生的磁感应强度变化梯度大，线圈半径r 大的线圈产生的磁感应强度变化 梯度小。 c ) 对于单匝载流圆线圈，线圈半径大时，灵敏度小，线性范围大。线圈半径小 时，灵敏度大，但线性范围小。 ( 2 ) 电涡流传感器的线圈一般为扁平线圈，其产生的磁场可以看成相应的单匝 线圈磁场叠加而成，如下图所示： 第三章电涡流传感器探头设计 b 图3 4 扁平线圈轴线上磁感应强度计算示意图 根据上图，可设定扁平线圈的内径为岛，外径为r b ，线圈厚度为c ，线圈匝 数为n 。 线圈通有交流电流，时，线圈内的电流密度a i 为： 专， 扯鱼s 。芒r 慨。， i 噩一 c 通过截面出协的电流为： f 。丽- 而n i 蚴， ( 3 1 。) l r r 卜c 。 此电流在轴线任意点p 处产生的磁感应强度为： d b p - p 。- - - - ( i 。杀 竺q 丝 2 ( r b 一凡) c ( ) ， v 2 + x 2 、3 7 2 整个扁平线圈通过电流，后，在轴线上任意点p 处产生的磁感应强度为； 彤。，饵2 ( r b 生- r ) c 产r y 2 噌而知出- 蒜慨伽n 慨+ 厨瓦可) - l n 阶厨瓦可) 】( 3 1 2 ) 一石。【l n ( r + 夏了) 一1 n 眠+ 三i ) 】 第三章电涡流传感器探头设计 用z 代替上式中的工j ，表示导体与线圈之间的距离，则线圈在轴线上任意点p 处 产生的磁感应强度为： 印丽a 。n i ”州矧筹吖h 矧筹i ( 3 1 s ， 根据上式，设定，为定值，则n i 为常数，可以得到不同线圈尺寸下的线 圈灵敏度和线性范围，所选尺寸见下表，并根据表中数据，使用m a t l a b 仿真 得到以下相应尺寸的毋r 关系曲线。 表3 1 线圈几何尺寸 线圈编号内径( )外径( m m )厚度( m ) 1133 2153 315l 4251 图3 5 内径和厚度相同时，外径小的线圈灵敏度高但线性范围小。 1 9 第三章电涡流传感器探头设计 图3 6 外径内径相同。厚度小的线圈灵敏度高。 图3 7 外径厚度相同，改变内径线圈灵敏度、线性范围变化不大。 根据以上三个不同尺寸线圈的关系曲线图，可以得到以下结论： a ) 线圈外径大时，线圈敏感范围大，线性范围相应也大，但灵敏度有所下降。 2 0 第三章电涡流传感器探头设计 b ) 线圈外径变小时，线性范围减小，但灵敏度增大。 c ) 线圈薄时，灵敏度高。 d ) 线圈内径改变时，在被测导体与线圈距离近时，灵敏度稍有变化。 e ) 传感器的线性范围一般选为线圈外径的1 2 1 5 。 根据以上计算公式以及图表，可依据相应的灵敏度以及线性范围，传感器线 圈选取相应的外径、内径以及厚度值。 3 3 电涡流传感器探头的结构类型 严格地说，传感器线圈和被测金属导体共同组成了电涡流传感器，利用它们 之间的耦合程度的变化来进行测试。设计和使用电涡流传感器必须考虑被测导体 的物理性能、几何形状以及尺寸。测量位移的电涡流传感器一般具有以下二种形 式。 ( 1 ) 变间隙型电涡流传感器 变间隙型电涡流传感器进行位移测量的原理是基于传感器线圈平面和被测 金属导体平面之间的距离的变化引起电涡流密度的变化，从而导致传感器线圈的 电感、阻抗或者品质因数的变化，通过一定的电路得到与之相关的信号。变间隙 型传感器结构由框架、线圈、外壳等部件组成。扁平圆线圈一般固定在传感器的 前端，线匿l 可绕在框架的槽内，也可用粘结剂粘贴在传感器的端部。此类传感器 的一般结构图如下图所示， 弓 外壳 移动方向 - ：，- - - - - - ：、 图3 8 变间隙型电涡流传感器探头结构示意图 导体 第三章电涡流传感器探头设计 变间隙型电涡流传感器常采用一个线圈的单绕组来进行位移测量，也可以采 用双绕组式传感器。对于双绕组式电涡流传感器，一个线圈可用来进行位移测量， 另一个线圈可以作为补偿线圈，从而降低传感器由于环境条件的变化引起的误 差。为使变间隙型电涡流传感器小型化，也可在线圈中加入磁芯。磁芯的加入可 以保证在电感量相同的条件下，减少匝数，提高q 值，同时加入磁芯可以感受 较弱的磁场变化，从而增大测量范围。但是传感器线圈中加入磁芯，往往对传感 器的工作稳定性产生不利的影响。 ( 2 ) 变面积型电涡流传感器 交面积型电涡流传感器是利用被测金属导体与传感器线圈之间相对覆盖面 积的变化，引起电涡流效应的变化，从而进行位移测量。线圈结构和测试原理如 下图所示，线圈绕在扁矩形框架上，线圈的输出端通过高频电缆连接到测量电路 上。变面积型电涡流传感器的测量线性范围比交间隙型传感器的范围大，其量程 可以达到l m 。 线 移 动 方 向 图3 9 变面积型电涡流传感器探头结构示意图 3 4 本课题中传感器探头设计 在电涡流传感器设计中，探头结构、灵敏度以及测量范围是主要考虑的问题。 同时应选用合适的探头材料，达到耐高温、耐腐蚀、高稳定性的性能。 第三章电涡流传感器探头设计 3 4 1 传感器探头结构 根据实际情况，要测量空气预热器上部扇板与转子之间的间隙，因此选择变 间隙型结构。 在高温情况下，线圈的电阻有一定的变化，被测导体的电涡流效应也会有所 变化，为了提高电涡流传感器的温度稳定性，传感器采用二个完全相同线圈，一 个线圈用作测量线圈，一个用作差动补偿线圈，构成差动补偿型结构。同时在电 路上也采用差动补偿原理，电路设计也完全对称，使得二个线圈的回路的温漂以 及时漂作为共模信号相互抵消，从而提高传感器的温度及时间稳定性。同时在二 个线圈中间放置一块钢板，使二个线圈之间的磁场互不影响。 翮差动线圈 区 ：i i 淤拎x ，鼢 隔离锅板j 溷测量十 防了 l 3 图3 1 0 间隙传感器探头结构示意图 3 4 2 线圈尺寸设计 电涡流传感器量程以及灵敏度主要取决于传感器中测量线圈的形状和大小。 根据以上3 2 节分析可知，线圈外径大，线圈的线性范围相应就会增大，但是线 圈的灵敏度会稍有降低。线圈外径小，线圈的线性范围会减小，但是灵敏度会有 所提高。线圈的内径一般来说，对线性范围和灵敏度的影响不大。线圈厚度应较 小，可提高线圈的灵敏度。对于变间隙型电涡流传感器，在采用线性补偿电路时， 量程一般为线l l t # b 径的1 2 1 5 。由于实际量程为3 0 m m ，因此确定测量线圈的 外径应大于6 0 m m ，但不宜太大。 在满足量程的条件下，要尽可能提高传感器测量