电涡流位移传感器设计.doc

云南机电职业技术学院云南机电职业技术学院自动检测与转换技术论文题目：电涡流位移传感器系部：电气工程系专业：电气自动化技术姓名：李莹龙学号：1021210指导教师：郭绍峰2011.11.20目录第一章 绪论第二章 电涡流传感器的基本原理 2.1 电涡流传感器的工作原理 2.2 电涡流传感器等效电路分析 2.3 电涡流传感器测量电路原理第三章 电涡流式传感器的结构及特征 3.1 传感器线圈尺寸的选取 3.2 电涡流探头的结构第四章 电涡流传感器测量电路的设计 4.1 电路实现方案 4.2 振荡电路的选择第五章 电涡流式传感器的应用第六章 接近开关简介6.1 常用的接近开关分类 6.2 接近开关的特点第七章 电路的优化7.1 移相电路的改进7.2 电压-电流转换电路的改进第八章 误差分析8.1 非线性补偿8.2 动态特性第一章 绪论一、技术要求：1、量程：020mm2、精度：1mm3、激励频率：1M Hz4、输入电压：24V5、介质温度: -502506、表面的粗糟度: 0.4m0.8m7、线性误差：2%8、工作温度：探头（-20120），延长电缆（-20120），前置器（-3050）9、频率响应：05KHz二、总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。 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：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。 第二章 电涡流传感器的基本原理2.1 电涡流传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率，磁导率，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：2.2 电涡流传感器等效电路分析为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：经求解方程组，可得I1和I2表达式：由此可得传感器线圈的等效阻抗为:从而得到探头线圈等效电阻和电感。通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：其中，x为检测距离；为被测体磁导率；为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量L或Z等来测量x ,f的变化的电路。2.3 电涡流传感器测量电路原理电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。电桥法是将传感器线圈的等效阻抗变化转换为电压或电流的变化。图2-4为电桥法的原理图。图中A，B两线圈作为传感器线圈。传感器线圈与两电容的并联阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。谐振法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化，传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为，谐振时回路的等效阻抗最大，Z =L/RC，其中R为谐振回路等效电阻。当线圈电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化为变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。调频式电路是通过测量谐振频率的变化来进行测量，其结构简单，便于遥测和数字显示；而调幅式电路是通过测量等效阻抗的变化来进行测量，由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高。下面以调幅式测量电路为例，说明谐振法的测量原理，如图2-5所示：从图中可以看出LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为，其中i0为激励电流，Z为等效阻抗。测量中，当探头线圈远离被测金属导体时，LC回路处于谐振状态，谐振回路上的输出电压最大；当探头线圈接近被测金属导体时，线圈的等效电感发生变化，导致回路失谐而等效阻抗发生变化，使输出电压下降。输出的电压再经过放大，检波，滤波后由指示仪器（电压表）读出，或输入示波器显示电压波形。这样就实现了将L-x关系转换成V-x关系，通过对输出电压的测量，可确定电涡流传感器线圈与被测金属导体之间的距离x。电涡流传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。第三章 电涡流传感器的结构及特征3.1 传感器线圈尺寸的选取线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性作用。对传感器来说总是希望灵敏度高，线性范围大。欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大；欲使灵敏度高，就要求轴向磁场强度变化梯度大。单匝的载流线圈在轴线上的磁感强度可以根据毕奥-萨伐定律推出：式中：0真空的磁导率；r线圈的半径；I通过线圈的电流；x轴线上某点P至线圈中心的距离。当x小时（被测体靠近线圈），线圈半径r小，则产生的磁感应强度大。当x 大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，且半径小的变化梯度大，线圈半径大的变化梯度小。为了有较大的测量范围，线圈的半径应大一些。线圈通以电流I 时，则线圈的电流密度为：则通过截面dx，dy 处的圆形电流元的电流为：i=NI/(rb - ra)h) dx dy 此电流在轴线任意点P 处所产生的磁感应强度为：整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P 点处产生的磁感应强度为：式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：按表1 中所给参数可做出线圈几何尺寸与线性范围曲线图，可得如下结论：线圈的匝数越多，线性范围越大；线圈薄时，灵敏度高，因此在设计传感器时，为使一定大小外径的传感器有较大的线性范围和尽可能高的灵敏度，要求线圈厚度越薄越好；线圈内径改变时，只有在被测体与传感器靠近处略有变化；线圈外径大时，传感器的敏感范围大，线性范围相应才会增大，但灵敏度降低，对于要求测量范围大的传感器，线圈外径要大一些。表1 线圈几何尺寸与线性范围的关系线圈编号外径（mm）外径（mm）匝数n轴向厚度h（mm)130255001023025200103302550010430255002530285002630205002730205002820155002图3 距离电压变化曲线因此，电涡流传感器的灵敏度与线性范围，主要取决于传感器线圈的参数。线圈的外径大，传感器的测量线性范围大，但灵敏度低；线性范围小，但灵敏度高，线圈薄时，灵敏度高。3.2 电涡流探头的结构1 电涡流探头：电涡流传感器的传感元件是一只线圈，线圈不易太多，一般为扁平空心线圈。2 探头端部由多股较细的绞扭漆包线绕制而构成，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。二CZF-1系列电涡流探头的性能型号线性范围/um线圈外径/mm分辨力/um线性误差/%使用温度/CZF1-10001000713-15+80CZF1-300030001533-15+80CZFI-500050002853-15+80第四章 电涡流传感器测量电路的设计4.1 电路实现方案本文采用如图所示的电路结构进行该电路的设计。 调幅式电路一、调幅式是以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。二、定频调幅式测量转换电路：石英晶体振荡器通过耦合电阻R，向由探头线圈和一个微调电容C。组成的并联谐振回路提供一个稳频稳幅的高频激励信号，相当于一个恒流源。当被测金属导体距探头相当远时，调节C。，使LC。得谐振频率等于石英晶体振荡器的频率f。，此时谐振回路的Q值和阻抗Z也最大，恒定电流Ii在LC。并联谐振回路上的压降U。也最大。即：U。=IiZ一、 调幅式的输出电压与位移不是线性关系，必须用千分尺逐点标定，并用计算机线性化之后才能用数码管显示出位移量。二、 调幅式还有一个缺点，就是电压放大器的放大倍数的漂移会影响测量精度，必须采取各种温度补偿措施。调频式电路一、并联谐振回路的谐振频率为： 当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变。二、用示波器观察振荡幅度，还可以发现振荡幅度随间距缩小而降低，但是由于限幅器的限幅特性，输入到鉴频器的幅度始终保持TTL电平，因此调幅式受温度、电源电压等外界因数影响较小。三.调频是的测量转换电路原理框图：4.2 振荡电路的选择所谓振荡，就是指能持续发生一定振幅，一定频率的电振动的现象。从而把持续发生电振动的电路，称为振荡电路。振荡电路是为各种电子电路和电子仪器提供信号的来源，是电子仪器中不可缺少的器件。鉴于晶体振荡器频率稳定度高于RC和LC振荡电路，因此本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。具体的电路结构如图4-5中所示：在上图中，从晶体振子的两个端子看C1和C2，可知该电路实际上就是晶体等效电感Lx与串联电容CL构成的LC并联谐振电路。因此该电路的振荡频率f0可如下式表示：式中CL为负载电容C1和C2的串联值，即由于负载电容CL远远小于晶体振子的静态电容，从式中可以看出，振荡频率f0的变化非常小，基本由晶体振子的振荡频率来决定电路振荡频率的大小，因此由COMS反向器与晶体振子构成的振荡电路能够稳定地产生电路所需要的方波信号。第五章 电涡流式传感器的应用1. 位移的测量1-旋转设备 2-主轴 3-联轴器 4-电涡流探头 5-发电机 6-基座 7-夹紧螺母2.振动的测量3.转速的测量n-转轴的转速 f-频率计数 z-转轴上得到槽数4.镀层厚度测量5.电涡流式通道安全检查门6.电涡流的表面探伤 用单个利用电涡流传感器可以检查金属表面的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器与被测导体保持不变的距离。检测过程中，由于缺陷将引起导体电导率，磁导率的变化，使电涡流I2变小，从而引起输出电压不变。 电涡流探伤在实际使用时，在实际使用时会受到诸多因素的影响。例如环境温度变化，表面硬度，机械传动不均匀，抖动等。电涡流探头易受上述因素影响，严重时无法分辨缺陷和裂纹，因此必须采用差动电路。 第六章 接近开关简介6.1.常用的接近开关分类1）自感式，差动变压器式 它只对导磁物体其作用；2）电涡流式 它只对导电良好的物体起作用；3）电容式 它对接地的金属或地电位的物体起作用，对非地电位的导电物体灵敏度差。4）磁性干簧开关 它只对磁性较强的物体起作用；5）霍尔式 它只对磁性物体起作用；6.2接近开关的特点 与机械开关相比，接近开关具有如下特点：非接触检测，不影响被测物体的运行工况；不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；响应快；采用全密封结构；无触点，无火花，无噪声；输出信号大，易于与计算机或可编程控制器等接口；体积小，安装，调整方便。 它的缺点是触点容积较小，输出短路时易烧毁。第七章 电路的优化以上设计的各电路模块通过仿真验证都能较好的实现其功能，但是在实际的电路实验中发现其中存在如下的缺点：1.在移相电路环节与增益调节部分，过多的可调节点，使电路调试起来很不方便。2.在电压-电流转换电路处，负载电流过小，也为后续电路计算带来不便，而且该电流大小不能按需要灵活调节。因此需要对这两个部分的电路进行改进。7.1 移相电路的改进鉴于该环节存在的缺点，同时考虑到高速运算放大器成本较高，决定采用无须调节且相对便宜的数字电子电路来实现电路90度移相。具体的数字移相电路结构如图5-14所示。该电路结构简单，只是使用了两个常用的74系列D触发器；极少的外围电路元器件，提高了电路的抗干扰性能。在图中，根据D触发器的真值表：当时钟下降沿时，可以推得该电路的时序图，如图所示。从图中可以得出两点结论：第一，Q1与Q2处的输出波形周期T2变为了原输入时钟波形周期T1的四倍，即输出波形频率变为原输入波形频率的4倍；第二，Q1处输出波形与Q2处输出波形时间相差1/4个周期，即Q1处输出波形与Q2处输出波形移相90度。 因此，从上面的分析结果知，原来的整体电路原理需要做适当的调整。改进后的电路原理图如图所示：在上图中，将方波振荡器输出的方波作为上图5-14的时钟信号输入，那么输出的必然是两个移相90度的方波，再经过滤波就可得到两个正交的正弦波。同时需要将原来方波1M的振荡频率，改为4M的振荡频率。此后的电路就将采用如图5-16所示的设计方案进行。7.2 电压-电流转换电路的改进从上节的转换电路可知，负载电流的大小不能灵活调节，给后面的计算带来不便，所以对其有所改进。电路结构如图所示：从上图所示电路可得式由上式可得：如令则上式可变为当取R1=R2时，负载电流IL的值，就由输入电压和取样电阻R3确定。R3的取值就比较灵活，因此负载电流的取值就可以根据需要来确定。同时与负载并联的阻值越大，负载电流越稳定。在上图中，当输入电压为2V时，电流计算值为2mA;当负载变化时，仿真电流表所示的负载电流值，如表所示：从表中可以看出，随着负载的变化，负载