（电机与电器专业论文）电涡流检测在电机铁芯生产过程中的应用.pdf

浙江大学坝1 。论文摘要 a b s t r c t t h ec o r ei st h em o s t i m p o r t a n tp a r ti nt h em o t o r a n di t sq u a l i t yw i l li n f l u e n c et h e w h o l ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o r t h ek e yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h em o t o ri st o c o n t r o lt h eq u a l i t yo ft h ec o r es t r i c t l y t h i si n c l u d e sm a n yk i n d so fw a y s ，s u c ha s d e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，p r o c e d u r e t h i sp a p e rf o c u s e s0 nt h ea p p l i c a t i o no fn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o ni nt h em o t o r c o r em a n u f a c t u r e ，e s p e c i a l l yt h ee d d yc u r r e n td e t e c t i o n a i m sa ts i l i c o ns t e e ls h e e t t e s t i n g ，m e a s u r e st h ec h a r a c t e r i s t i cw i t ha c c u r a c yi no r d e rt oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c y a n dq u a l i t yo ft h ec o r ep r o d u c t t w op a r t sa r ep r e s e n t e d ，s i l i c o ns t e e ls h e e tt h i c k n e s s m e a s u r i n g w i t hd o u b l e e d d y c u r r e n t s e n s o r s ，a n ds i l i c o n s t e e ls h e e t m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n t t h ef i r s to n ec a nb eu s e di nm o t o r c o r eh e i g h tc o n t r o l ，t h e o t h e rc a nb eu s e di ns h e e tt e s t i n g t h ep a p e rs y n o p t i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v e l yi n t r o d u c e se d d yc u r r e n tt h e o r y ， e q u i v a l e n tc i r c u i t ，e x c i t a t i o nc o i l s ，t e s t c i r c u i ta n da p p l i c a t i o no ft h ee d d y c u r r e n t s e n s o r s af e a s i b l es o l u t i o no fm o t o rc o r eh e i g h tc o n t r o lb a s e do ns i l i c o ns t e e ls h e e t t h i c k n e s sm e a s u r i n gw i t hd o u b l ee d d y c u r r e n ts e n s o r si sp r e s e n t e d b a s i ct h e o r yo f t h el e a s ts q u a r e sm e t h o di sr e c o m m e n d e d ，v a r i o u sf i t t i n gm e t h o d o l o g i e sa r ea p p l i e d t oa c h i e v eab e t t e rd e s c r i p t i o no ft h es y s t e mo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c t h em e t h o di s p r o v e d t ob ea p r a c t i c a lw a y o f i m p l e m e n t a t i o nw i t he x p e c t e dp r e c i s i o n a n e w t y p e d e v i c ei s p r e s e n t e dt o m e a s u r e m e n to ft h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h es i n g l es h e e t ， a f t e rad e t a i l e da c c o u n to ft h ep a r a m e t e ro fm a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dr e l e v a n t m e a s u r e m e n t i ti sp r o d u c e dt oc h a n g et h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n to fs i n g l es h e e t t e s t i n g t h ed e s i g np r i n c i p l ea n d t h ep a r a - - n e t e ra n a l y s i so ft h ed e v i c eh a sb eg i v e n ， a c c o r d i n g l y t h ee q u a t i o n si sp r e s e n t e da n dp r o v e d k e y w 。r d ：e d d y c u r r e n t ，c 。r e ，t h i c k n e s sr r e s t i n g ，s i l i c 。n s t e e ls h e e t ，m a g n e r i 确c d e t e c t i o n i l 浙江人半硕l ：论文 始一章绪论 第章绪论 1 1 无损检测概述 无损检测以不损害或基本不伤害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物 理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件和结构件进行有效的检验和测试， 借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及某些物理性能。包括探测材料或 构件中是否有缺陷存在并判断缺陷的形状、性质、大小、位置、取向、分布和内 含物等情况；还能提供涂层厚度、材料成分、组织状态、应力分布以及某些物理 和机械量等信息。 无损检测技术可以对工程材料、零部件和结构件进行百分之百的检测，并根 据检出缺陷的特性，依照常规力学或断裂力学的判据作出适当的评价。所以无损 检测技术是为了保证材料和构件的高质量、高性能以及在安全可靠的基础上经 济、有效地使用而提供依据的重要方法。 从应用角度来说，无损检测主要有下述三种应用方法： ( 1 ) 在生产过程质量控制中的无损检测，即应用于产品的质量管理。它可以剔 除每道生产工序中的不合格产品，并将检测结果反馈到生产工艺中去，指导 和改进生产监督产品的质量。 ( 2 ) 用于成品的质量控制，即用于出厂前的成品检验和用户进行验收。它主要 是检验产品是否达到设计性能，能否安全使用。 ( 3 ) 用于产品使用过程中的监测，即维护检验。它是用户在使用产品或设备的 过程中，经常地或定期地检查是否出现危险性缺陷而采用的无损检测方法， 有时也称为在役检查。 随着现代物理学、材料科学、微电子学和计算机技术的发展，无损检测技术 也获得了迅速发展。各种无损检测方法的基本原理几乎涉及到现代物理学的各个 分支。有人按照不同原理方法和不同的探测及信息处理方式，详细地统计了已经 应用和正在研究的各种无损检测方法“，主要包括射线检测( x 射线、y 射线、 高能x 射线、中子射线、质子和电子射线等) 、声和超声波检测( 声振动、声撞 击、超声波脉冲反射、超声频谱、声发射和电磁超声等) 、电学和电磁检测( 电 阻法、电位法、涡流法、录磁与漏磁、磁粉法、核磁共振、微波法、巴克豪森效 应和外激电子发射等) 、力学和光学检测( 目视法和内窥镜、荧光法、着色法、 脆性涂层、光弹性覆膜法、激光全息摄影干涉法、泄漏检定、应力测试等) 、热 力学方法( 热电动势法、液晶法、红外线热图等) 和化学分析方法( 电解检测法、 浙i i 大学钡卜沦义 第一市绪论 激光检测法、离子散射、俄歇电子分析和穆斯鲍尔谱等) 。现代无损检测技术还 应包括计算机数据和图像处理、图像识别和合成和自动化检测技术。在工业生产 检验中，目前应用最广泛的无损检测方法主要是液体渗透法、磁粉检验法、射线 检测法、超声波检测法和涡流检测法。 在对材料或构件进行无损检测时，其目的是多种多样的。不论在什么情况下， 都必须首先搞清楚究竟想检测什么东西，随后才能确定应该采用怎样的检测方法 和检测规范来达到预定的目的。为此，必须预先分析被检工件的材质、成型方法、 加工过程和使用经历，必须预先分析缺陷的可能类型、部位、方向和性质，随后 再选择最恰当的检测方法。 1 2 涡流检测 1 2 1 涡流检测的原理、方法、应用范围 涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，它适用于导 电材料。如果我们把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在， 即产生涡流。由于导体自身各种因素( 如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等) 的变化，会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质、形状的检测方 法，叫做涡流检测方法”n 。 涡流检测是把导体接近通有交流电的线圈，由线圈建立交变磁场，该交变磁 场通过导体，并与之发生电磁感应作用，在导体内建立涡流。导体中涡流也会产 生自己的磁场，涡流磁场的作用改变了原磁场的强弱，进而导致线圈电压和阻抗 的变化。当导体表面或近表面出现缺陷时，将影响到涡流的强度和分布，涡流的 变化又引起了检测线圈电压和阻抗的变化，根据这一变化，就可以间接的知道导 体内缺陷的存在。 由于试件形状的不同、检测部位的不同，所以检验线圈的形状与接近试件的 方式也不尽相同。为了适应各种检测需要，人们设计了各种各样的检测线圈和涡 流检测仪器。 在涡流探伤中，是靠检测线圈来建立交变磁场，把能量传递给被检导体：同 时又通过涡流所建立的交变磁场来获得被检测导体中的质量信息。所以说，检测 线圈是一种换能器。 检测线圈的形状、尺寸和技术参数对于最终检测结果是至关重要的。在涡流 探伤中，往往是根据被检试件的形状、尺寸、材质和质量要求( 检测标准) 等来 选定检测线圈的种类。常用的检测线圈有三类： 浙江夫学倾、l 硷史 第一币绪论 ( 1 ) 穿过式线圈 穿过式线圈是将被检试样放在线圈内进行检测的线圈，适用于管、棒、线材 的探伤。由于线圈产生的磁场首先作用在试样外壁，因此检出外壁缺陷的效果较 好内壁缺陷的检测是利用磁场的渗透来进行。一般说来，内壁缺陷检测灵敏度 比外壁低。厚壁管材的内壁缺陷是不能使用外穿过式线圈来检测的 ( 2 ) 内插式线圈 内插式线圈是放在管子内部进行检测的线圈，专门用来检查厚壁管子内壁或 钻孔内壁的缺陷，也用来检查成套设备中管子的质量，如热交换器管的在役检验。 ( 3 ) 探头式线圈 探头式线圈是放置在试样表面上进行检测的线圈，它不仅适用于形状简单的 板材、板坯、方坯、圆坯、棒材及大直径管材的表面扫描探伤，也适用于形状较 复杂的机械零件的检查。与穿过式线圈相比，由于探头式线圈的体积小、磁场作 用范围小，所以适于检出尺寸较小的表面缺陷。 由于使用对象和目的的不同，检测线圈的结构往往不一样。有时检测线圈只 由一只线圈组成，即绝对检测方式；但更多的是由二只反相连接的线圈组成，即 差动检测方式：有时为了达到某种检测目的，检测线圈还可以由多只线圈串联、 并联或相关排列组成。这些线圈有时绕在个骨架上，即所谓自比较方式：有时 则绕在二个骨架上，其中一个线圈中放入已知样品，另一个用来进行实际检测， 即所谓他比较方式( 或标准比较方式) 。 检测线圈的电气连接也不尽相同，有的检测线圈使用一个绕组，既起激励作 用又起检测作用，称为自感方式；有的则激励绕组与检测绕组分别绕制，称为互 感方式；有的线圈本身就是电路的一个组成部分，称为参数型线圈。 涡流检测的显示方式与用途关系很大，般小型便携仪器( 如裂纹检测仪、 测厚仪等) 多采用表头显示方式，小巧轻便。在冶金企业中使用的在线涡流检测 设备大多采用示波器、记录仪加声、光报警多种显示方法。示波器显示又有时基 式、椭圆式和光点式几种，这些显示一般在现场用样件调试设备时使用。其中矢 量光点式更多地用于科研及在役设备( 如热交换管道) 的检查，以便记录存档； 而声光报警则往往是和自动分选配合使用，以便提醒操作人员注意。 因为涡流检测方法是以电磁感应为基础的检测方法，所以原则上说，所有与 电磁感应有关的影响因素，都可以作为涡流检测方法的检测对象。下面列出的就 是影响电磁感应的因素及可能作为涡流检测的应用对象。 ( 1 ) 不连续性缺陷：裂纹、夹杂物、材质不均匀等。 2 ) 电导率：化学成分、硬度、应力、温度、热处理状态等。 f 3 ) 磁导率j 铁磁性材料的热处理、化学成分，应力、温度等。 浙江人学删卜论史 筘一市绪论 ( 4 ) 试件几何尺寸：形状、大小、膜厚等。 ( 5 ) 被检件与检测线圈间的距离( 提离间隙) 、覆盖层厚度等。 除了上述应用之外，涡流法还可以在特定的条件下进行特定的丌发。表1 1 给出了涡流检测应用范围的分类情况。 表l _ l 涡流检测应用范围 分类目的 在工艺检查在制造工艺过程中进行检测，可在生产中间阶段剔除 线不合格的产品，或进行工艺管理 检 产品检查在产品最后工序检验，判断产品好与不好 测 在役检测为机械零部件及热交换器管等设施的保养、管理进行 检验。在大多数情况下为定期检验 加工工艺的监督主要指对某个加工工艺的质量进行检查，如点焊、滚 焊质量的监督与检查 其它应用薄金属及涂层厚度的尺寸测量；材质分选；电导率测 量：金属液面检测；非金属材料中的金属搜索 1 2 2 涡流检测的优缺点 涡流检测的优点 对金属管、棒、线材的检测，不需要接触，也无需祸合介质，所以检测速度 高，易于实现自动化检测，特别适合在线普检。 对于表面缺陷的探测灵敏度很高，且在一定的范围内具有良好的线性指示， 可对大小不同缺陷进行评价，所以可以用作质量管理与控制。 影响涡流的因素很多，如裂纹、材质、尺寸、形状及电导率和磁导率等。采 用特定的电路进行处理，可筛选出某一因素而抑制其他因素，由此有可能对上述 某一单独影响因素进行有效的检测。 由于检查时不需接触工件又不用耦合介质，所以可进行高温下的检测。由于 探头可伸入到远处作业，所以可对工件的狭窄区域及深孔壁( 包括管壁) 等进行 检测。 由于是采用电信号显示所以可存储、再现及进行数据比较和处理。 浙江人学心i 。论文 第一霄杵沦 ( j 涡流检测的缺点 涡流探伤的对象必须是导电材料，且由于电磁感应的原因，只适用于检测余 属表面缺陷，不适用于检测金属材料深层的内部缺陷。 金属表面感应的涡流的渗透深度随频率而异，激励频率高时金属表面涡流密 度大，随着激励频率的降低，涡流渗透深度增加，但表面涡流密度下降，所以探 伤深度与表面伤检测灵敏度是相互矛盾，很难两全。当对一种材料进行涡流探伤 时，须要根据材质、表面状态、检验标准作综合考虑，然后再确定检测方案与技 术参数。 采用穿过式线圈进行涡流探伤时，线圈覆盖的是管、棒、或线材上一段长度 的圆周，获得的信息是整个圆环上影响因素的积累结果，对缺陷所处圆周上的具 体位罱无法判定。 旋转探头式涡流探伤方法可准确探出缺陷位置，灵敏度和分辨率也很高，但 检测区域狭小，在检验材料需作全面扫查时，检验速度较慢。 涡流探伤至今还是处于当量比较检测阶段，对缺陷做出准确的定性定量判断 尚待开发。 尽管涡流检测存在许多不足之处，但它独特的专长是其它无损检测方法所无 法取代的。因此它在无损检测技术领域中具有重要地位。 1 2 3 涡流检测的发展史 涡流现象的发现及利用己有上百年的历史。早在1 8 2 4 年加贝就发现了铜 板对摆动着的磁铁有阻尼现象，提出了涡流存在的实验。1 8 3 1 年，法拉第发现 了电磁感应现象，并在实验的基础上提出了电磁感应定律。在这以后的一百多年 里，电磁理论及其试验不断完善，电子元器件不断更新换代：从电子管、晶体管 到集成电路，直到计算机的出现，大大推进了涡流检测技术的发展。麦克斯韦继 承和发展了法拉第的思想，于1 8 7 3 年将法拉第的概念用完整的数学方程式表示 出来。建立了系统严密的电磁理论。1 8 7 9 年，休斯首先将涡流检测应用于实际 判断不同的金属和合金。1 9 2 6 年，涡流测厚仪问世。但真正在理论和实践 上完善涡流检测技术的是德国的福斯特博士。 早在5 0 年代，福特斯就在基础试验和理论推导的基础上发表了大量有关涡 流检测的论文，并创办了福特斯研究所。他的涡流检测技术与设备推动了全世界 涡流检测技术的发展。除前西德以外，美国、前苏联、法国、英国、日本也先后 做了大量的开发性工作，发表了大量今天也都能生产高水平的涡流检测设备a 我国6 0 年代始开展涡流检测的研究工作，并先后研制成功了一系列检测系 统。从初期的y y - l l 型管材探伤仪，到后来相继研制成功的y y - 1 7 、y s l 、 浙江大学硕士论文第一常绪论 w t s 一1 0 0 、t c 一1 0 0 0 、t c - 2 0 0 0 、e d 2 5 l 、1 - 5 、n e 一3 0 和现在用途极为广泛的e e c 9 6 数字涡流检测设备。这些设备在我国的航空航天、冶会、机械、电力、化工、核 能等领域中正在发挥着愈来愈重要的作用”1 。 1 3 本论文所作的工作 论文讨论了电涡流检测在电机铁芯生产过程中的应闱。电机铁芯是电机的重 要构件之一，其质量好坏将会直接影响电机整机性能的优劣。所以严格控制电机 铁芯的生产质量是提高电机质量的关键。控制铁芯的生产质量需从多方面来考 虑，包括产品总体设计、制造工艺设计、工序间相互配合设计等等。这里的检测 是针对电机铁芯的重要构件硅钢片的检测，通过准确测量硅钢片的特性从而 希望提高铁芯生产的质量与效率。本论文从电机硅钢片的检测入手，分别包括了 硅钢片分选和铁芯叠厚控制两大部分。论文第一章简单介绍了无损检测，涡流检 测的一些基本知识。在论文的一部分为第二章，首先介绍了电涡流传感器的基本 原理、等效电路、激励线圈、测量电路及应用等。并对电机铁芯生产控制器进行 了描述。然后介绍了测厚系统的设计及其原理。并介绍了传感器验证的相关硬件 及其性能指标。在实验数据处理中，也提及了相关的数据拟合概念、方法选择。 着重介绍了最d , - - 乘法。并给出了按最小二乘法拟合的实验结果。论文的另一部 分，第三章首先详细介绍了磁性材料的特性及其相关参量，接着介绍交流磁化曲 线和磁滞回线的测量方法和磁损耗的测量方法。针对硅钢片磁性能检测的现状提 出了硅钢片分选仪的设计思想，及放置式探头的设计和原理，并分析其参数的计 算与推导。最后给出实验数据及图形分析，验证了该方法。 6 浙江大学坝j _ 论义 第二帝i u 涡流传感_ ! ； 捌厚系统 第二章电涡流传感器测厚系统 2 。1 电涡流传感器 2 1 1 概述 电涡流传感器是利用金属导体中的涡滤与激励磁场之间进行电磁能量传递， 因此也必须有一个交变磁场的激励源( 传感器线圈) 。被测对象则以某种方式调 制磁场，从而改变激励线圈的电感。从这个意义来看，电涡流传感器也是一种电 感传感器，但是又是一种特别的电感传感器。 ( 1 ) 从检测方法来看，这种传感技术属主动测量技术，即测量仪器主动发射能 量，观察被测对象吸收( 透射式) 或反射能量的情况，不需要被测对象主动做功。 因此传感器对于被测对象的影响表现为涡流的影响( 例如发热等等) 。 ( 2 ) 象大多数主动测量装置一样，涡流传感器的测量属于非接触测量，因此给 使用和安装带来很大的方便，特别式用于测量运动的物体。 ( 3 ) 涡流传感器的电磁过程十分复杂，难于用基本的方法取得数学模型。因此， 测量模型的建立主要由实验来解决，但为了说明其工作原理和特性的需要，在下 文中仍然采用一些理想化的模型方法。 ( 4 ) 电涡流传感器的应用没有特定的目标，不象电感、电容、电阻等传感器有 相对固定的输入量，因此一切与涡流有关的因素，在原则上都可用于测量目的。 2 i 2 涡流的形成及等效电路 图2 1 为涡流传感器的原理图。处在交交磁场日作用下的金属导体m ，以 磁场为中心产生电动势并且自身形成闭合回路丽产生涡流o 。显然，涡流所产 生的磁场，也必将反过来影响激励磁场，或者在另一个线圈中感生新的电 动势e ，( 当金属板很薄时) 。利用前一种方式测量的传感器称为反射式电涡流传感 器，利用一种方式测量的传感器称为透射式电涡流传感器。不管运用什么方法构 成传感器，其最终特性都与涡流的特性有关。为此，需要研究涡流形成和分布的 规律，特别是沿激励线圈径向分布的规律和轴向分布规律”“”“l 。 ( _ ) 电涡流的径向分布 交变磁场在金属导体中感应的电涡流，在导体中形成闭合的环路。涡流环形 的路线，和激励线圈在空间的分布有密切关系，因此要准确分析计算涡流的分布， 浙江大学颂- 1 ：论文第二章f u 涡流传感器测厚系统 l th 2 l ( ， 。时，涡流密度又将减小至接近于零。其分布随r o 的变化 规律可用下式( 2 l ) 近似表示： rj u 4 e - 4 ( 1 叫0 u ( 1斗，口 l 厶2 1 叫1 u 划厶u 式中u = ，厶为，= r o , ( v = 1 ) 处最大电流密度。 依据上式计算的i i i 。一d 关系表示在图2 2 中。由图可见，涡流的形成范围 大约在激励线圈外径的o 5 1 8 倍范围内，涡流的最大值及主要的涡流损耗 发生在r = 。( u = 1 ) 附近的一个狭窄区间内，因此，可以用一个平均半径为的 短路环来集中地表示分散的涡流( 图中阴影部分) ，以便构成等效的电路模型。 式( 2 1 ) 表明，涡流的分布规律( 以归一化形式表示) 与线圈、金属导体间 距离d 无关。当d 改变时，涡流的分布特性并不改变，但是涡流密度，。以及相应 的f ，都将发生变化。分析和实验都证明，金属板中等效电流f ：正比于线圈激励 电流，并与距离d 有函数关系： 浙江大学坝r 1 论文 第二章电涡流传感器测厚系统 扣叫卜揣r o 划2 2 ) l + ( d 。) 2 依据上式( 2 2 ) 作出的归一化曲线表示在图2 ，3 中。由图可见，：随着d 的 增教而急剧减小。因此利用涡流传感器测量位移时，只是在很小的测量范围内能 得到较好的线性和较高的灵敏度。 1 o o 8 一 、o 6 04 o 2 0 x o ( ) x d r o ， 图2 3 电涡流强度与d r o 、关系曲线 图2 4 涡流密度轴线分确 涡流密度的轴向分布 由于趋肤效应，涡流沿h 轴向分布不是均匀的，其分布按指数规律衰减， 并可用式( 2 3 ) 表示： ：厶e 。7 d o 式( 2 。3 ) 式中x 一金属中某点与表面的距离： d 。一趋肤深度。 由图2 4 可见，电流密度主要分布在表面附近，因此可用一个底为的矩 形来取代指数分布，使矩形面积与曲线下的面积相等。 电涡流传感器的等效电路 综上所述，涡流的分布特性可以化为一个平均半径为k 和厚度为的矩形 截面圆环( 图2 5 ) ，此圆环相当于一匝的短路环，其电阻等于r ：，电感等于：， 互感为m 。用这样的一个集中参数的电路模型来描述激励线圈与涡流之间的电 磁耦合( 图2 6 ) ，由图2 6 可得： r l 。，i + ，越i j c o m l 2 。 式( 2 4 ) 一j c o m l l + r 2 ，2 + ，m 2 ，2 = 0 解式( 2 4 ) 可求得激励线圈等效阻抗及等效q 值： 浙江夫学碳i ：论文 第二章电涡流传感器测厚系统 弘半咄。+ 器删瓯。一老l 2 = r t + j 州舶s ， 式( 2 6 ) 式中l ，。、r 。一激励线圈本身线圈电感与电阻( 涡流体处于无穷远处) ，、蜀一有涡流存在时线圈的等效参数。 。芒丑八士 j jf u ，三i o r 上2、3， ” j y 一 j 1 一，j 图2 5 涡流等效短路环图2 6 电涡流传感器等效模型 由式( 2 5 ) 可以看出，涡流引起的阻抗变化与肘及月，、厶有关，m 表征激 励线圈形状及与金属导体间的距离，而r ，、l 则与金属导体的物理属性有关， 因此，反射式涡流传感器可分为两大类： ( 1 ) 在确定尺，、厶条件下，利用改变m 来实现测量的目的，可以称为空间参 数型，主要用于测量位移和振动等。 ( 2 ) 固定线圈与导体位置不变，而测量r ，或l ，的变化，可以称为涡流参数型， 主要用于测量导体物理属性的变化。 2 1 3 激励线圈 电涡流传感器的主体是激励线圈，其性能和几何形状、尺寸对整个测量系统 性能产生重要的影响。激励线圈的结构非常简单( 这也是涡流传感器的主要优点 之一) 。通常做成一个具有矩形截面的圆形线圈，用胶水粘贴于框架上或者在框 架上开一条矩形槽，将导线直接绕在槽中”1 ( 图2 7 ) 。 嚣 ， h 生 i l 堕q 1 l q 浙江人学倾l 。论义 第章i u 涡流传感器测厚系统 4 卜线圈2 一框架3 一框架村套 4 一出线孔 图2 7 电涡流传感器结构示意图 线圈框架选用电磁损耗小，热膨胀系数小的材料( 例如聚四氟乙烯，高频陶 瓷等等) 。由比奥一沙伐定理可以证明。线圈的几何形状与其磁场分布有极为密 切的关系，长而细的螺管式在其内部形成近似均匀的磁场，而在线圈端面处磁场 能量密度也较大，故形成的涡流能量也较集中，因此激励线圈与金属导体间的耦 合加强。相反，扁平的线圈则能量比较分散，能量耦合较弱，即灵敏度较低，但 园单位距离变化所引起的能量变化较小，故测量范围及线性度有所提高。计算分 析表明：用长而细的线圈( 长径比b k 大) ，则灵敏度高，但线性范围小。反之， 用扁平线圈( b ，k 小) 则灵敏度低，而线性范围增大。 2 1 4 测量电路 式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 表明，涡流对激励线圈的影响表现在阻抗的变化，具体说 来是映射电阻r j ，_ 竿 月：，映射电感三卜竿箬上：以及相应的9 j 值变化。这 卜2 ii 厶2 l 些参数都能反映涡流的变化。但涡流传感器的特点在于：激励线圈工作在较高频 率下，以便得到较强的涡流反射参数。而且线圈阻抗中的电阻分量和电感分量同 时发生变化。基于上述原因，电涡流传感器多采用两种测量电路，即定额调幅电 路和调频电路”“。 定频调幅测量电路 调幅测量原理是由一个高频的电流激励源对一并联的l c 电路供电，其中三 是传感器的激励线圈。( 图2 8 a ) 。由于c 并鞋电路的阻抗在谐振时达到最大， 而在失谐状态下急剧减小。故在定额叵流激励下，输出端电压亦将随着失谐的增 大而急剧下降。为使分析简化，设激励频率工足够高，使r 。 q 3 6 ) 图2 ，1 0 短路环式涡流位移传感器 a ) 单线圈式b ) 差动式 图2 1 l 电涡流测距原理 a ) 原理图b ) 特性曲线 若涡流体为软磁导体，则同时存在两种效应，除涡流所产生的去磁效应外， 涡流体磁导也同时发生作用，产生增磁效应。当激励线圈与涡流体接近时，涡流 的作用使线圈电感减小，而涡流体的导磁作用则使线圈电感增加。为使涡流效应 大于磁效应，此时激励频率应当选用频率在l o5 h z 以上，以保证有很强的涡流效 应。总的来说，在相同的工作频率范围内，非导磁的涡流体灵敏度较之导磁体要 高。 利用涡流涣i 位移的主要问题是通用性较差，当涡流体由一种材料改变为另一 种材料时，需要重新标定或校正。实验表明，这种校正可以用改变原始间隙的方 法得到，从而扩大了电涡流传感器的应用范围。 利用测距的原理，电涡流传感器可以用于振动、表面镀层厚度、表面不平度 等等。此外，也可作为计数脉冲发生器来使用，用于测量转速或金属零件的计数。 此时传感器的输出只要求“l ”或“0 ”两种信号，传感器的特性要求就大大降低。 ( 2 ) 利用涡流参数测基材料的性质 当固定线圈与涡流体之间的距离一定时，涡流强度及其映射参数就与涡流体 募豳 浙江人学坝【论文 第一章l 乜涡流传感 l 删厚系统 的材料性质有关。最早运用这种方法是电涡流探伤。当金属表面层有裂纹时( 如 热处理裂纹、焊缝裂纹或材料试验中的裂纹等) ，涡流的分稍及其映射参数都将 发生变化。 应用最多的是利用电涡流法实现非接触测温，根据式( 2 3 ) 体中的分布与趋 肤深度d 。有关，d 。的大小则与材料的电磁性质有关： d o = 式( 2 9 ) 式中p 一涡流体的电阻率； 地一真空磁导率： “，一涡流体相对磁导率 厂一激励频率。 在，和厂确定条件下，d 。与涡流体的电阻率有关，而后者一般是温度的函 数。因此当导体的温度变化时，涡流体中涡流的径向分布变化，从而引起映射参 数的变化。用这种原理可以确定的材料的表面温度进行非接触测量，并且几乎不 受环境及被测表面发射率变化的影响。 一种专门用来测量液体和气体温度的电涡流传感器的结构如图2 1 2 所示， 传感器利用已知电阻率的薄片5 作为感温元件( 温度敏感元件) 。感温片与激励 线圈之间的距离是固定的。当环境温度变化时，引起涡流片的电阻率以及相应的 激励线圈参数的变化。 卜补偿线圈2 一管架3 测量线圈 4 一绝热绝缘衬垫5 一温度敏感元件 图2 1 2 电涡流式温度传感器 鼯 浙江犬学硕士论文 第二章 电涡流传感器测厚系统 2 2 电机铁芯生产控制器 2 2 1 控制器简介 在电机铁芯的生产制造过程中，铁芯的自动叠铆为其重要环节，为达到精确 的控制，利用电机铁芯生产控制器对冲床实现自动控制。其应用于生产中的现场 图如下图所示。 在生产铁芯时，由控制器发出控制信号调整电机工作状态，电机通过相应的 机械装置控制冲床的上模座以高速运动。在上模座上设置了挤凸冲子，其主要作 用是将部分材料挤出硅钢片带料，以便叠铆对相互连接。即使后一片硅钢片的凸 台底部进入前一片硅钢片的口部，使其自然过盈而达到紧固连接的目的。挤凸冲 子伸出与缩进是由相应的电磁器件控制气缸工作。在铁芯叠铆了规定的片数后， 由控制器发出控制信号，控制挤凸冲子相应的电磁器件的工作状态，使挤凸冲子 的伸缩程度改变，将带料上本应挤凸台位置的材料冲穿，使硅钢片带料上规定的 位置无凸台，这样在叠铆了规定的数量后自动分离成铁芯。将电机以皮带带动一 大飞轮离速旋转，通过监测飞轮旋转状态而得知此时的上模座处于何种位置，在 上死点，下死点，或中间某处。在冲槽时，就是通过检测飞轮状态确定上模座已 脱离下死点达到一个规定距离，送出信号给控制器，再由控制器控制下模座中一 旋转机构转动冲片位置至另冲槽处。由控制器控制步进电机从而控制硅钢片带 料的给进。 浙 工大学硕：t 论文 第二帝 i 乜涡流传感器测厚系统 2 2 2 铁芯叠厚控制的意义 电机铁芯是电机的重要构件之一，其质量好坏将会直接影响电机整机性能的 优劣。所以严格控制电机铁芯的生产质量是提高电机质量的关键。控制铁芯的生 产质量需从多方面来考虑，包括产品总体设计、制造工艺设计、工序间相互配合 设计等等，关于这些方面的相关技术也有一定的积累。目前。在电机铁芯生产过 程中铁芯高度大多还是采用叠片计数法来确定。虽然有的已使用了高速自动冲 床，并相应配置了高速送料机和同步送料系统，以用于铁芯大批量生产，但是每 个铁芯的叠片数量必须由操作工人根据生产工艺的规定将叠片数量预先输入电 脑“。叠片计数法是在假定硅钢片的厚度完全均匀的条件下得出的。但现实中， 由于制造的原因造成硅钢片厚度并不均匀，这样很容易造成铁芯成形后高度误差 很大，造成产品合格率的下降，从而影响电机质量和成本。所以控制铁芯叠厚的 关键问题如何在线测量叠片的真实厚度。厚度的测量有许多的方法可供选择，但 是因为工厂生产环境存在着油污、噪声、高温等的影响，选择接触式方法显然无 法长期有效运行，而光学方法也无法避免油污的影响，本论文提出利用电涡流方 法来进行在线测厚。 在上节中已提到电涡流方法是利用金属导体在磁场中的电涡流效应来进行 非电量测量的，电涡流效应的强弱又与激励磁场和金属体之间的距离存在近似正 比的单调关系，通过一些信号处理电路可以把一些电参数同距离联系起来达到测 距的目的。本论文利用电涡流测距的原理，用双探头的方法实现精确的叠片厚度 控制。 2 3 测厚系统的设计 2 3 1 双探头的简单原理 在文中已对电涡流传感器的基本原理和应用做出详细的介绍，这里就不再累 述。目前利用电涡流传感器进行厚度测量，距离测量振动测量等方面成熟的产 品已有不少。但有的过于简单，或过于复杂，并不完全适用于硅钢片的在线测厚。 本论文提出的采用双探头法测量硅钢片厚度，示意图如图2 1 3 所示，显然在固 定两探头间距z 后，分别测出探头a ，探头b 至硅钢片距离x 。、孔，硅钢片厚 度d 即为d = z x 。一x 。即使硅钢片出现微小振动，由于两探头间距x 是确 定的，x 。、x 。的变化正好形成互补的情况，所以仍能准确测出硅钢片厚度。 浙江大学硕 论史 第一二带电涡流传感 测厚系统 叫d 图2 ，1 3 双探头测厚示意图 i i 。l 亡一、一 。 、广 广 l， i 图2 i 4 测厚机构示意图 料 俯视 侧视 在高速冲床的送料机前安装如图2 1 4 所示的测厚机构。四个传感器构成两 组测厚机构，分别测取硅钢片左右两侧的厚度，以平均值作为硅钢片的厚度。传 感器输出结果通过a d 转换模块送入p l c 控制器。控制器对各冲片的厚度进行 累加，当累加值与铁芯设计厚度之差小于每片硅钢片厚度的一半时，送出控制结 果，控制模其中的挤凸冲子，从而控制各铁芯的叠厚。可以看出保证测出厚度的 准确性，必须保证传感器a ，b 的测距的准确性，这与传感器自身质量及其输出 特性的准确性密切相关。现有电涡流传感器产品都比较成熟，具有较高的精度， 所以可直接选择合适的产品。 浙江人学坝 | 义 第一市i u 涡流传感器删厚系统 2 3 2t r 8 1 系列传感器指标 目前国内现有的电涡流传感器产品已经比较成熟，可直接选用合适的传感器 产品。在实验中采用了t 8 l 系列的电涡流位移传感器“。其系统组成包括探头、 前置器、延伸电缆( 可根据需要选择) 以及附件。线圈密封在探头中，线圈阻抗 的变化通过密封在自口置器中的电子线路的处理转换成电压或电流输出。其电子线 路并不是直接测量线圈的阻抗，而是采用并联谐振法，也就是采用了上面提到的 定频调幅测量电路的思路。该传感器的原理框图如图2 1 5 所示，在前置器中将 i i i i i i i i i i 要尊j 图2 1 5传感器原理框图 r 、被测导体 图2 1 6 传感器输出特性曲线 个固定电容c 0 = 器和探头线圈l x 并联与晶体管卜起构舻个振荡器， 振荡器的振荡幅度u x 与线圈阻抗成正比例，因此振荡器的振荡幅度u x 会随探头 2 0 浙江人学删 。论义 第章r u 涡流传感 删厚系统 与被测间距6 改变。u x 经检波滤波，放大，非线性修正后输出电压u o ，u o 与6 的关系曲线如图2 1 6 所示，可以看出该曲线呈“s ”形，即在线性区中点瓦处 ( 对应输出电压u 。) 线性最好，其斜率( 即灵敏度) 较大，在线性区两端，斜 率( 灵敏度) 逐渐下降，线性变差。( 占，u ) 一线性起点，( 占：，u ，) 一线性术点。 探头头部采用耐高低温的p p s 工程塑料，通过“二次注塑”工艺将线圈密封 其中，这增强了探头头部的强度和密封性，在恶劣环境中可以保护头部线圈可靠 工作。头部直径取决于其内部线圈直径，线圈直径直接决定传感器系统的基本性 能线性量程。根据实际情况，作者选择了0 2 前置器( 并选择限幅o 5 v 输 出：1 5 v d c 供电) ，巾儿探头，5 o m 电缆。 传感器的各项性能指标分别为： ( 1 ) 系统指标 选择探头直径中儿时，将有：线性量程4 n - o n ；线性范围1 o 5 0 m m ； 线性中点3 0 m m ：非线性误差1 2 ；最小被测面中3 3 。 标准特性方程 由于材料不同，特性方程将会不同，需重新验证。将在下面章节详述。 灵敏度误差：5 纹波 0 2 前置器配巾l l 探头，o 5 v 输出方式时，为1 5 m v 分辨力 0 2 前置器配巾l l 探头，o 5 v 输出方式时，为i 朋 ( 2 ) 探头指标( 仅标出审u 探头指标) 探头线圈直流电阻：1 3 d 探头直流电阻误差：5 探头温漂：在一2 0 c 一+ 1 5 04 c 温度范围内，线性中点温漂系数0 1 。c ， 非线性误差5 ，灵敏度误差1 5 ( 3 ) 前鬻器指标 电源影响：电源每变化l v ，输出变化不超过0 0 2 功耗：前置器消耗电流不大于1 2 m a 前置器温漂：0 2 前置器在- 2 0 c + 1 0 0 温度范围内( 配中1 1 探头) ， 线性中点温漂系数0 1 5 c ，非线性误差5 ，灵敏度误差1 5 ( 4 ) 延伸电缆指标 额定直流电阻：芯线( o 3 0 o ，0 2 ) q m 屏蔽层( 0 0 2 8 0 0 0 2 ) q m 电容j ( 5 0 3 ) p f m 浙江人学坝l ：论义 第二二章i 乜涡流传感器删厚系统 该传感器系统出厂检定结果如下： ( 1 ) 条件：环境温度：2 5 供电电源：1 5 v 试件材料：硅钢校正基准：百分表 ( 2 ) 结果：线性范围：1 1 0 5 1 0 m m线性中点：3 1 0 m m 标准灵敏度：1 2 5 v m m非线性度：0 3 中点输出值：2 4 8 4 v灵敏度偏差：一1 2 最小二乘法拟合直线方程：u = i 2 3 5 x d l _ 3 4 5 ( u ：输出电压，单位v ：d ：探头与试件间距，单位f n i l l ) 2 。4 传感器特性的校验 在被测材料不同的情况下，传感器的输出特性会有不同，在使用前必须进行 校验。虽然在出厂检定时已确定了材料为硅钢片时的输出特性直线，但是在实验 中证明该特性宜线不能精确的表现传感器输出特性，导致使用在双探头测量厚度 时出现较大的误差。而且如果改变硅钢片型号，为了测量的准确性考虑也需要重 新验证传感器的输出特性。所以在测厚前先要对传感器输出特性进行验证。 整个校验装鬣由传感器系统、d c 电源、电子数显千分表、硅钢片试件、自 制校验台、数据采集卡及p c 机构成。 传感器的组成部分及其指标己在上文中介绍。 为降低噪声，提高精度，前置器的供电电源采用的是直流开关电源，其输入 为交流电2 2 0 v 1 5 ，输出为直流电1 5 v 。为了减小电网对测量电路的的干扰， 在电网与开关电源间加入电源滤波器，其示意图如图2 1 7 所示。同时在开关电 源输出端及前置器输出端也分别加有滤波电路。图2 1 8 和图2 1 9 分别为有无使 用滤