电涡流传感器在棉花包金属检测中的应用研究论文.doc

毕业论文电涡流传感器在棉花包金属检测中的应用研究学生姓名： 王江 学号： 1102044224 学 院： 机械工程与动力学院 专 业： 机械电子工程 指导教师： 方群玲 2015 年 6月 电涡流传感器在棉花包金属检测中的应用研究摘 要 电涡流传感器是工业生产科学研究中使用广泛的一种无损、非接触检测仪器。对 不同被测材料敏感度的不同一直是制约电涡流传感器更广泛应用重要因素。因此，对电涡流传感器的电磁性能研究显得尤为重要。本课题采用的是实验和有限元分析仿真相结合的方法，研究电涡流传感器的电磁性能。具体的内容如下：电涡流传感器电磁场性能理论研究在掌握电涡流传感器工作原理的基础上，通过对传感器等效电路分析，从理论上推导出相关参数（检测距离、频率等）对传感器性能的影响。电涡流传感器是一种性能优越非接触测量传感器，这种传感器适用于对机械的振动、位移和转速等运行状态的直接在线监测。它的体积小，结构紧凑坚固，耐腐蚀，耐湿热，因而广泛应用于电力、石化、机械等行业。 关键词：电涡流效应，电涡流传感器，机械Application of eddy current sensor in metal detection in cotton balesABSTRACT The eddy current sensor is widely used in industrial production and scientific research of a kind of nondestructive, non-contact detection instrument. Different sensitivity to different material being tested has been an important factor of restricting the eddy current sensor is more widely used. Therefore, research on electromagnetic performance of eddy current sensor is particularly important. This topic by experiment and simulation method of combining the finite element analysis, the research on electromagnetic performance of the eddy current sensor. Specific content is as follows: 1. The eddy current sensor is the study of the theory of the electromagnetic field performance On the basis of the master the working principle of the eddy current sensor, through the analysis of the equivalent circuit of sensor, the related parameters is deduced theoretically, detection distance, frequency, etc.) affect the performance of the sensor. Eddy current sensor is a kind of superior performance of the non-contact measurement sensors, this sensor is suitable for mechanical vibration, displacement, speed and other direct on-line monitoring of running status. Its small size, compact structure solid, corrosion resistance, resistance to hot and humid, so widely used in electric power, petrochemical, machinery and other industries.space is the urgent demand of modern life.KEYWORDS： the eddy current effect,the eddy current sensor,mechanics 目 录1 绪论11.1研究目的及意义12 涡流传感器32.1 涡流传感器原理32.2影响传感器的因素62.2.1探头线圈参数的影响72.2.2被测对象几何形状、尺寸的影响72.2.3 被测表面磁效应的影响83 电涡流传感器在棉花包金属检测中的应用123.1 电涡流传感器在棉花包金属检测系统组成123.2 涡流传感器非接触测量数据处理系统223.3电涡流传感器的常见故障及处理方法223.3.1常见故障223.3.2 处理方法223.3.3对常见故障处理方法的几点建议234 结 论24参考文献25致 谢271 绪论1.1研究目的及意义随着微电子和计算机技术迅速发展，传统金属探测系统也向着新方向快速更新和发展，金属探测器在现代社会生活工业生产中的应用越来越广泛，从最初的应用在探雷和探测地下金属开始发展到现在旅行安检、食品、反恐、冶金和药品等方面的保护性检测与质量的安全检测。在科学技术不断进步及金属探测器在现代社会生活和工业生产中作用不断凸现的时代背景下，怎么提升和完善金属探测器性能，已成为本领域一个亟待解决的问题。 电涡流传感器广泛应用于电力、石油、化工和冶金等行业，一些科研单位。电涡流传感器量程小也是一个待突破难点，并且如何有效改善电涡流传感器在环境恶劣条件下工作也有待于通过调研，进一步了解企业的现状及需求。接下来的进行分析与设计。确定数据来源真实准确。再涡流无损检测技术是以其无接触式测量、高灵敏度、便携式、低损耗等特点，在航空航天、新能源、轨道交通等不同工程的领域得到日益广泛应用。但根据涡流检测的机理，被测对象电磁特性(电导率和磁导率)会强烈影响电涡流在被测对象表面分布，被测对象的不同会得到不同测量结果，从而削弱了可测量多种被测材料的互换性。这一缺陷导致传统涡流传感器只能针对同种的材料进行测试。在研制过程由于诸多因素限制导致了电涡流传感器存在一些不容忽视的问题，其各种性能指标特别是工作的环境温度对电涡流传感器测量的精度的稳定性能的影响尤为值得关注。电涡流传感器使用环境一般较为恶劣，特别是在温度的变化较大的环境中应用时，它的稳定性受到非常严峻考验。从电涡流传感器基本原理出发，提出了用双路电涡流传感器检测金属材质的方法和多CPU工作模式，对组成检测系统个功能单元进行了分析，设计了适合于检测金属材质双路电涡流传感器以及相应的测量电路，接口电路、配套软件。从而实现对金属材质动态实时综合检测。由于采用了双路传感器、多CPU处理结构。系统具有较高的、检测准确性和工作可靠性，使用价值较高。 由于各种测量的方式本身的原理以及生产过程中的设备和环境的实际情况，使其又具有各自优缺点，在各自的使用方面有着不同的局限性。其中：（1）射线测量方式：具有较高的精度，可对单位重量直接进行测量的特点。所以，国外也称该测量的方式为基重测量，但该测量的方式最大的问题是安全、环保问题，随着人们环保意识提高，对于采用射线的方式已经逐渐退出历史舞台，特别是在老设备上该测量的方式退役、更换，对射源的处理、安全防护要求更高。(2)激光测量的方式：激光测量采用的是CCD激光位移传感器，对被测物的位置进行测量。该测量的方式精度高、速度快，但是对现场使用条件要求高，特别是焦烟、温度影响，以及测量要求的基准面的精度要求（需要一个固定基准面，而辊筒本身径向跳动、光洁度等因素，使其设备无法为它们提供一个固定基准面，从而影响到厚度的测量）。所以，激光测量的方式在在线测量使用上效果受到很大的影响，而在离线测量方式下，该测量具有广泛的使用价值。(3)压缩空气测量的方式：该技术是最近几年国外新开发并引进国内市场，该测量的方式具有精度高、测量安全，符合现代生产技术的使用要求。但目前该设备的市场售价高，系统的修复成本昂贵，在薄胶片、气密层等小型的测量设备方面，推广性较差。高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触高精度振动、位移信号，能连续准确采集到的转子振动状态的多种参数。例如轴的径向振动、振幅以及轴向的位置。从转子动力学、轴承学的论上的分析，大型旋转机械运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题早期判定，可提供关键性的信息。电涡流传感器以其长期的工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强和不受油污等介质影响和结构简单等优点，在大型旋转机械状态在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 本课题研究的主要是棉花包中混有金属杂质，由于待加工棉花包用开清棉机处理，开清棉机功能是把原棉开包，使原棉恢复天然柔软性和使纤维块松解，并去除杂质,靠风机和输棉管道将纤维送到梳棉机去，从而制成棉条。由于在棉花包中经常混有铁丝、小铁钉金属杂物,比较容易弄坏机器，还可能引起火灾。所以在处理之前，应该先进行检测，看看棉花包中是否混有金属杂质，从而避免危险发生。检测棉花包中是否混有金属的方法有很多，比如：X光、或直接拆包检测、或电涡流金属检测等。而X光检测成本太高，拆包检测太费时间。采用电涡流检测可以有效解决这些问题。电涡流传感器对通过电涡流线圈导电物体进行警报，然后对棉花包进行开包人工处理。电涡流无损检测是以电磁感应原理为基础一种常规无损检测方法，相对于传统涡流无损检测方法，电涡流检测具有包含的频率分量丰富、检测信号信息量大、时域分析方便等优点。涡流无损检测采用的是电涡流传感器，它主要特点是频率响应速度快、测量精度高、不受油液污染影响、受外界磁场干扰小等，涡流传感器发展至今，类型已经多种多样，并在工业生产中的各个领域得到广泛的应用，尤其是在无损探伤领域，已经成为一种不可或缺的无损检测手段。 本文基于前人已经著述十几篇涡流无损检测研究，从他们不同应用角度分析他们相同点和不同点,并且对电涡流传感器今后的应用领域做出合理预测。2 涡流传感器2.1 涡流传感器原理 根据法拉第的电磁感应原理，块状金属的导体置于变化磁场中或在磁场中作切割磁力线的运动时（与金属是否为块状无关，而且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状感应电流，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作为电涡流式传感器。一块金属放置在一个扁平的线圈附近，相互并不接触。当线圈中通过以高频的正弦交变电流时，线圈周围空间就产生交变的磁场，此交变磁场在邻近金属导体中就会产生电涡流。而此电涡流也会产生交变磁场阻碍外磁场变化。由于磁场反作用，使线圈中的电流和相位都发生变化。也即引起线圈等效阻抗发生的变化，线圈电感量也会发生变化，因此可用线圈阻抗变化来反映金属导体中的电涡流效应。这就是电涡流传感器的工作原理。电涡流传感器最大特点是非接触测量，这是它引起广泛兴趣的主要原因，其优点是灵敏高、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响。前置器中高频振荡的电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近磁场时，则在金属的表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈的方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体的磁导率、电导率、线圈几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面距离等参数有关。通常假定的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物理性质可由金属导体电导率、磁导率、尺寸因子、头部体线圈与金属导体表面距离D、电流的强度I和频率参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I, )函数来表示。通常我们能做到控制, , , I, 这几个参数在一定范围不变，则线圈特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个的函数是一非线性的，其函数的特征为“S”型曲线，但是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变化，即头部体线圈与金属导体的距离D变化转化成电压或电流的变化。输出信号大小随探头到被测体的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位移、振动等参数的测量。 图 2.1.1 电涡流传感器原理是，通过电涡流效应原理，准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面相对的位置，其特点是长期的工作可靠性好、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轴位移、轴振动和轴转速等参数进行长期的实时监测，可以分析出设备的工作状况、故障原因，有效地对设备进行保护及预维修涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。电涡流传感器采用的是感应电涡流原理，当带有高频电流的线圈靠近被测的金属时，线圈上的高频电流所产生高频电磁场便在金属的表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测景被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触线性化计量工具。电涡流传感器能通过电路可将被测的金属相对于传感器探头之阔距离的变化转化为电压或电流变化。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的变化。在旋转机械和振动研究的分析测量中，对非接触高精度振动信号、位移信号，能连续准确地采集数据。电涡流传感器具有非接触性、测量精度高、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强和频带响应宽等优点，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产、测量和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。涡流测距系统由电涡流传感器、信号放火电路、信号滤波电路、模数转换电路、单片机数据采集电路、光电隔离电路、计算机数据处理、结果显示等部分组成。 涡流测距系统的电路设计，涡流测距的电控系统由电涡流传感器信号放大、信号滤波、模数转换、数据采集、数据输出等电路组成。再通过单片机的应用与计算机的数据处理及显示系统可完成测距。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。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。例如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。在所有的与机械状态有关的故障征兆中，机械的振动测量是最具权威性的，这是因为它同时含有幅值、相位和频率信息。机械振动测量占有优势的另一个原因是：它能反应出机械所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学理论上的分析，大型旋转机械运动状态，主要取决于核心转轴，而电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态，对于转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以长期工作可靠性好、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，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。电涡流传感器原理系统框图如下； 图 2.1.22.2影响传感器的因素电涡流传感器分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。激励频率的选择原则为：待测导体的厚度大，应选择较低的激励频率以保证线性度，反之则使用较高激励频率以提高灵敏度。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。高频(1MHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈的自感L或阻抗ZL变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它的参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感变化，通过测量电路的转换为电压输出。根据低频电涡流传感器工作原理得知金属体上的电涡流的贯穿深度t与床干起线圈激励电流频率有关。频率越低，贯穿深度越厚。因此，采用低频电流激励时，可以测量金属体表面等！线圈阻抗的变化与被测体电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、电源频率及线圈与被测体之间的距离覆盖物等等有关因素，可以表示为 Z=f(,f,t,x)其中式中，、t分别为被测体的电阻率、磁导率及厚度，f为电源频率，x为线圈与导体之间的距离。若使上述参数其中一个改变，其余不变，可构成三种电涡流传感器：测距式涡流传感器、测厚式涡流传感器和探伤式涡流传感器。根据激励频率的不同，又可构成两种不同涡流传感器：高频反射式测距涡流传感器和低频透射式测厚涡流传感器。由线圈阻抗变化公式可知，影响电涡流传感器特性的因素较多，有电导率、磁导率、几何形状及与被测体之间的距离等。下面从探头线圈参数、被测对象表面的粗糙度、被测对象几何形状、尺寸及电磁特性等几个个方面分别阐述。 2.2.1探头线圈参数的影响 探头线圈的参数主要指线圈内径、外径和厚度。线圈的作用是产生交变的磁场，利用自身的反射阻抗Z值、Q值和L值的变化实现测量。线圈轴向磁场强度Bm的变化将影响Z、Q、L的值。为了获得较高灵敏度，线圈的轴向磁场强度梯度需要大些。由于传感器高灵敏度、宽线性范围的要求，需要根据不同的被测对象合理地选择线圈参数。涡流检测的常用分析方法是阻抗法在这一过程中涉及的两个重要参数为检测线圈填充系数和材料的有效磁导率，其中填充系数又由试件尺寸和检测线圈的有效直径所决定，并同时又影响到涡流传感器设计和选择。因此，检测线圈的有效直径是一个关系到涡流检测精度和可靠性的重要技术参数，必须精确地求出。 2.2.2被测对象几何形状、尺寸的影响 当被测对象是板形时，传感器特性取决于被测材质的物理参数，如电阻率、磁导率、表面粗糙度等。当被测对象是旋转轴时，其特性不但与被测对象的物理参数有关，而且与被测对象的表面形状有关。这是由于被测对象和传感器探头等效距离增大，改变被测对象的表面磁场强度Bm的梯度，也改变了线圈产生的磁通和涡流产生反射磁通的交链作用。实验表明，对圆柱体径向测量，被测对象的直径越小，磁损耗越大，传感器灵敏度越高；被测对象的直径越大，磁损耗越小，传感器的灵敏度越低。当其直径大于100mm时，灵敏度的变化很小。通常，当被测体的表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测表面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上；当被测体为圆轴且探头的中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头的头部直径的3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降的越多。被测对象的表面粗糙度的影响：涡流效应主要聚集在被测对象的表面。因此，被测对象的表面粗糙度对电涡流功率损耗有很大的影响。在被测对象的表面，导体的等效电阻率大于内部的电阻率。被测对象的表面较粗糙，电涡流功率的损耗小。同形状、同材料、同尺寸的被测对象，表面较光洁的，传感器灵敏度较高，线性范围较窄；表面较粗糙的，传感器的灵敏度较低，线性范围较宽。 2.2.3 被测表面磁效应的影响 电涡流效应主要集中在被测体的表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器的特性。在进行振动的测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。从磁性的角度考虑，电涡流传感器的被测对象可分为三类：非磁体、软磁体和硬磁体，常用的有非磁体和软磁体。电涡流传感器是以磁交链实现检测，同磁性类导体磁性差异较小，不同磁性类的差异较大。因而，同磁性类的不同导体用同一传感器测试时，传感器输出的特性基本相同；不同磁性类的导体则传感器输出特性差异较大。这种对于被测材料的敏感性在很大程度上限制了电涡流传感器的应用范围。对于非磁性材料，其磁性的来源于分子磁矩在外磁场中取向排列，磁性的大小不仅和外界磁场的强弱有关，还与分子磁矩的大小有关。分子磁矩由组成分子的所有原子中的电子自旋磁矩、轨道磁矩和核磁矩叠加而成。由于各种磁矩的方向不尽相同，因而分子中的各磁矩叠加的结果使分子磁矩远小于电子的自旋磁矩，其磁化后的磁性很弱，为非磁性材料中的自旋排列图。此时，线圈和被测体之间的电磁感应对线圈电感变化起主要作用。对于铁磁性材料，其磁性主要来源于原子最外层电子自旋耦合相互作用，使小区域内电子磁矩自发地同向整齐排列起来，形成一个个磁性很强的磁畴区。在外磁场作用下，这些磁畴区的磁矩方向均趋向于外磁场方向，对外显示出很强的磁性。因此，当被测体为铁磁性材料时，由于其相对磁导率较高，在同样的外界磁场激励下，与真空和非磁性材料相比，铁磁性材料中磁感应强度的要大得多。此时被测材料的高磁导率对线圈电感的变化起主要作用。涡流效应主要集中在被测体表面,如果由于加工过程中形成残磁效应,以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性，API670标准推荐被测体表面残磁不超过0.5微特斯拉。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。当线圈有高频电流通过时，线圈附近的金属体就会产生涡流，涡流的磁场反作用在线圈上，可改变其电感。若线圈外形尺寸及激励电流固定，则电感只与距离有关 。电涡流传感器、前置器和监测卡组成一个完整的测量回路，监测卡向前置器提供 24V 供电电源，并接收前置器输出的检测电压（-2-20V ）。 在监测卡中，可设置报警和保护定值，还可输出标准电流信号，送至DCS系统进行显示。目前，在火力发电厂中大量应BENTLY公3500系统和EPRO公MMS600系统，其检测原理相同，传感器特性相近，只是在软件功能上有所差异。电涡流传感器线圈直径825mm不等，传感器线圈直径越大，灵敏度越低，测量范围也越大。放大电路的应用十分广泛，无论日常使用的收音机、扩音器，或者精密的量测仪器和复杂的自动控制系统等，其中通常都有各种各样的放大电路。在这些电子设备中，放大电路的作用是将微弱的信号放大，以便于人们量测和利用。例如，从收音机天线接收到的信号，或者人传感器得到的信号，有时只有微伏升毫伏数量级，必须经过放大才能驱动喇叭发出声音，或者驱动批示设备和执行机构，便于进行观察、记录和控制。所谓放大，表面看来是将信号的幅度由小增大，但是在电子技术中，放大的本质首先是实现能量的控制。由于输入信号（例如从天线或传感器得到的信号）的能量过于微弱，不足以推动负载（例如喇叭或批示仪表、执行机构），因此需要在放大电路中加另外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出圈套的能量，然后推动负载。这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。集成电路（integrated circuit,IC）是采用一定的工艺，把电路中所需要的管子、电阻、电容等元器件及电路的连线都集成制作在一块半导体基片上，再封装在一个管壳内，成为具有所需功能的模块。自从60年代集成电路发展以来，被获得广泛地应用、集成电路按性能和用途的不同，可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类、集成运算放大器（integrated operational amplifier）是属于模拟集成电路的一种。按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。1、通用型运算放大器，通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。2、高阻型运算放大器，这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid1G1T,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。3、低温漂型运算放大器，在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。4、高速型运算放大器，在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。5、低功耗型运算放大器，由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。6、高压大功率型运算放大器，运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。7、可编程控制运算放大器，在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题。为了得到固定电压得输出，就必须改变运算放大器得放大倍数。 单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。意法半导体公司STM8L系列是一种特低功耗的混合信号微控制器（Mixed Signal Microcontrollers）家族，其中包括几种器件，它们是由针对各种应用的不同的模块组成的。这些微控制器被设计成可用电池工作且可应用很长时间的器件。具有16位RISC结构，CPU 中的 16位寄存器和常数产生器，使 STM8L能具有最高的代码效率。数字控制的振荡器可使器件从低功耗方式迅速唤醒，在少于6 s的时间内达到激活方式。STM8L系列是一种内部配置两个16位定时器、一个高速10位 A/D 转换器、一或两个通用串行同步/异步通信接口（ USART ），有32个 I/O 引脚的微控制器。 典型应用包括捕捉模拟信号的传感系统，将模拟信号转换成数字值，然后处理数据并将它们传送给主系统。内部的定时器使得这些配置很适合于工业控制应用，例如纹波计数器、数字马达控制、EE仪表、手持式仪表等。硬件乘法器更加强了器件性能并提供宽代码和硬件兼容的系列。传感器探头是系统的一个必要组成部分，它是采集、感受被测体信号的重要部分，它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。通常探头由线圈、头部保护罩、不锈钢壳体、高频电缆、高频接头组成。线圈是探头的核心部分，它是整个传感器系统的敏感元件，线圈的电气参数和物理几何尺寸决定传感器系统的线性量程及传感器的稳定性。探头头部采用耐高低温、抗腐蚀、高强度和高韧性的进口工程塑料PPS，通过“模具成型”和“二次真空注塑工艺”将线圈密封在头部保护罩里。保证了线圈长时间不受氧化，由于增强了探头头部的密封性和强度，所以在恶劣的环境中能保护线圈可靠稳定地工作。探头壳体用于支撑探头头部，它作为探头安装时的夹装结构，壳体采用不锈钢制成，通常壳体上有标准螺纹，并备有两个紧固螺母。为了适应不同的安装要求，备有光面壳体和不同尺寸、螺距的壳体供选用。高频电缆是用于连接探头头部到前置器（也可以用公司统一的延伸电缆转接），它是耐高温的射频同轴电缆。通常约定电缆长度有（0.5m、1.5m、1.0m、2.0m、4.0m、5.0m、6.0m、8.0m、9.0m、10.0m）这几种探头电缆线长度主要用于替代本特利7200、3300、3300XL探头规格、新川公司等同类产品），这几种探头电缆线长度主要用于替代菲利浦公司等同类产品）供用户选择，当你选择的探头电缆长度确定后，再选择延伸电缆时，必须确保系统总的电缆长度（探头电缆线长+延伸电缆线长）为。根据探头现场的应用环境，探头所带电缆可配不锈钢铠装软管，以保护电缆不易受损坏。3 电涡流传感器在棉花包金属检测中的应用3.1 电涡流传感器在棉花包金属检测系统组成设想的检测系统由两个完全相同的电涡流线圈、信号相关器、工控机、声光报警器、传送带以及机械部件组成。 3.1.1 激励源频率及功率 由于棉花包的尺寸较大，所设计的电涡流线圈尺寸应该大于棉花包的横截面积，所以激励源频率应该低一点,并随尺寸的增大而降低。以数十千赫为开始频率慢慢调试寻找最佳频率。又由于激励源频率降低后，所需提供的功率必须相应提高，所以必须设置1W左右的中频功率放大器。 3.1.2 电压信号相关器原理 电压信号相关器是用于提供两个电涡流线圈的电压信号信号变化不一致的特征。温度以及由于工业环境存在较大电磁干扰，对测量系统的影响非常大，但是两个线圈的输出电压接收的干扰是等量的，电压相互抵消，相关器不产生报警信号；电压信号相关电路十分复杂，这里我用差动减法放大电路来比拟。3.1.3 电涡流线圈设计 电涡流线圈的骨架尺寸设计的比棉花包尺寸大1m，防止干扰，用直径0.5mm的漆包线在PVC骨架上绕50圈。3.1.4 声光报警系统 所谓声光报警器就是能同时发出声响和灯光信号的报警器。 图 3.1.1 声光报警原理图声光报警器是一种用在危险场所，通过声音和各种光来向人们发出示警信号的一种不会引燃易燃易爆性气体的报警信号装置。防爆声光报警器适用于安装在含有C级T6温 度组别的爆炸性气体环境场所，还可使用于石油、化工等行业具有防爆要求的1区及2区防爆场所，也可以露天、室外使用。可以和国内外任 何厂家的火灾报警控制器配套使用。当生产现场发生事故或火灾等紧急情况时，火灾报警控制器 送来的控制信号启动声光报警电路，发出声和光 报警信号，完成报警目的。本设计用的报警装置主要是引起负责检查工人的注意。设计中主要要完成的是发声报警和发光报警这两个部分功能，故在程序设计中只要设计触动键盘重的数字键即8个LED不停光闪，同时内扬声器发出警报声。在设计发声报警时利用8253可编程定时记数器，在设计发光报警时利用8255芯片。 3.1.5 工控机 工控机即工业控制计算机，也叫做工业个人计算机（Industrial Personal ComputerIPC），英文简称IPC。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。也可以理解为产业电脑或工业电脑。工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。工控机，通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：1） 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。2） 机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。3） 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。4） 要求具有连续长时间工作能力。5) 一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）。 图 3.1 .2 棉花包金属自动检测报警原理图1-棉花包 2-棉花包 3-电涡流线圈 3电涡流线圈 4-电涡流线圈 5-尼龙传送带 6-带轮 7-横向气缸 3.1.6 传感器的安放位置 线框放置在传送带上，传送带至于线框内。线框之间的距离约为棉花包长度的三倍左右。 运转流程：当棉花包通过第一个涡流线圈时，如果棉花包内没有导电物体，两个线圈的Q值均不会发生变化，输出电压信号较大，且稳定不变：而当棉花包内有导电物体时，导体表面将产生电涡流，使第一个线圈的Q值及电压下降而第二个线圈没有变化。当到达第二个线圈时，第二个线圈的Q值及电压下降，第一个线圈恢复到初始值。信号相关器在噪音背景下提取出这两次微小的变化量，产生警报信号，PLC立即停止传送带的运动，横向气缸的活塞和推板将警报的棉花包推出传送带，等待人工的检查。棉花包报警装置传送带工控机气缸线框2线框1 图 3.1.3 棉花包金属自动检测系统图 本次设计使用的相关电路 1供电电路：开关电压，输出12V/3A 图 3.1.4 图 3.1.52.MCU处理器供电电路 图 3.1.6 图 3.1.73.MCU电路单元 图 3.1.8 4. 报警、皮带轮、横向气缸控制电路 图 3.1.9 图 3.1.10 控制电机的运转 图 3.1.115.MCU正常运行指示灯 图 3.1.12本次使用相关电路的概述：1、 使用开关电源为整个系统供电模块，采用的主要原因：效率高、体积小、成本低等。2、 本次使用意法半导体公司stm8l151处理器，该处理器在工业使用性能稳定，价格低廉，内部集成了12路10bitad，设计简单。3、 当棉花包内有金属物靠近第一个涡流传感器时，导致Vout1的电压信号发生变化，这个电压信号被处理器通过AD采集到，经分析后，处理器再发出皮带轮停止转动命令、声光报应命令、横向气缸开始动作命令，棉花包被推出后，整个系统继续工作。3.2 传感器安装间隙 电涡流传感器线性度好,万用表测量的安装间隙电压即可准确反映间隙大小,无需塞规测量物理间隙。金属表面棉花的测量利用了电涡流传感器的幅值响应特性，通过输出电压中交流电压分量的幅值来检测金属表面是否有棉花。因此，对传感器和被测面的安装间隙有严格要求。只要求传感器工作在线性区。一般使用8mm电涡流传感器，其线性区间在-2-18V 左右，安装间隙电压在-10-11V。在测量键相和金属表面棉花时，传感器检测面，传感器输出电压仅变化一次，输出电压的频率与转速成正比。因此，安装时也只需保证传感器在线性区工作即可。以8 mm电涡流传感器为例，一般安装间隙定在1.5 mm 左右。电涡流传感器测量轴向位移利用了传感器的静态特性，通过输出电压的变化检测实际位移量，输出电压与位移有一一对应关系。因此，必须根据实际情况合理确定“零位”，算出安装间隙，再进行安装 。 当探头间隙调整合适后，旋紧防松螺母。此时应注意，过分旋紧会使螺纹损坏。探头被固定后，探头的导线也应牢固。延伸电缆的长度应于前置器所需的长度一致。任意的加长或缩短均会导致测量误差。前置器应置于铸铝的盒子内，以免机械损坏及污染。不允许盒子上附有多余的电缆，在不改变探头到前置器电缆长度的前提下，允许在同一个盒内装有多个前置器，以降低安装成本，简化从前置器到监视器的电缆布线。采用适当的隔离和屏蔽接地，将信号所受的干扰降至最低限度。前置器是整个传感器系统的信号处理部分，要求将其安装在远离高温环境的地方，其周围环境应无明显的蒸汽和水珠、无腐蚀性的汽体、干燥、振动小、前置器周围的环境温度与室温相差不大的地方。安装时前置器壳体金属部分不要同机壳或大地接触。安装时必须避免有其他干扰信号影响测量电路。3.3 涡流传感器非接触测量数据处理系统 电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。电涡流传感器采用的是感应电涡流原理，当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测景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。电涡流传感器能通过电路可将被测金属相对于传感器探头之阔距离的变化转化为电压或电流变化。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。在旋转机械和振动研究分析测量中，对非接触的高精度振动信号、位移信号，能连续准确地采集其数据。电涡流传感器具有非接触性、测量精度高、灵敏度高、分辨率高，响应速度快抗干扰力强、频带响应宽等优点，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产、测量和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。涡流测距系统由电涡流传感器、信号放火电路，信号滤波电路，模数转换电路，单片机数据采集电路、光电隔离电路、计算机数据处理、结果显示等部分组成。涡流测距系统的电路设计涡流测距的电控系统由电涡流传感器、信号放大，信号滤波，模数转换，数据采集，数据输出等电路组成。再通过单片机的应用与计算机的数据处理及显示系统可完成测距。3.4电涡流传感器的常见故障及处理方法 3.4.1常见故障（1）电涡流探头损坏。（2）探头导线与延伸电缆的连接头松动。（3）延伸电缆与前置器的连接处松动。（4）前置器、延伸电缆故障。（5）延伸电缆接地。（6）探头导线与延伸电缆的连接头绝缘不好而接地。 3.4.2 处理方法（1）更换电涡流探头。（2）紧固探头导线与延伸电缆的连接头。（3） 紧固延伸电缆与前置器的连接螺丝。（4）更换前置器、延伸电缆。（5）更换延伸电缆或将其破损接地部分用绝缘带包好。（6）将探头导线与延伸电缆的连接头用热缩管包裹好。3.4.3对常见故障处理方法的几点建议（1） 更换电涡流探头时应注意避免碰伤探头，不可将连接导线多次缠绕。（2）探头导线与延伸电缆的连接处为带有锁紧功能的锁头，在紧固时应避免用力过猛，以免损坏锁头。（3） 紧固延伸电缆与前置器的连接螺丝不可用力过大，以免造成螺丝滑丝。（4）更换后的前置器应与探头、延伸电缆型号一致，应将前置器放在铸铝的盒子内，避免有其他干扰信号影响测量精度。 （5）更换延伸电缆时应注意电缆的盘管直径不能太小，以免造成对电缆的损伤。一般规定盘管直径不得小于55mm。（6）在处理探头导线与延伸电缆的连接头时应用热缩管包裹，不要使用电工胶带，这样油雾会溶解胶带上的沾性物而污染接头。在需打开探头导线与延伸电缆的连接头时，用刀片在接头的金属处划开一小口即可，在过程中当心将电缆划伤。4 结 论 电涡流传感器可实现非接触测量金属的表面是否有其他物体覆盖如被棉花包裹，结构简单、灵敏度高、适用性强、频率范围宽、较强的适应能力，并且利用微机技术处理数据可以使测量精度大大的提高。所以在实际生产中被广泛的应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、厚度测量、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。 本论文详细地介绍了电涡流传感器原理、低频电涡流测量薄型的钢板厚度的基本理论和测量感应电动势随着厚度的变化而变化的微弱信号检测的方法和原理。通过这次毕业设计，使我受到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题系统的锻炼，使我在综合知识的选用方面，在硬件设计的基本思想、方法等方面都向前迈了一大步，为日后能成为合格的应用型人才打下了良好基础。参考文献1饶贵安, 宜华, 武新军等.电涡流方法在输电线损伤检测中的应用J.传感器技术, 2001(2): 14-16.2冉启芳. 无损检测方法的分类及其特征简介J. 无损检测, 1999, 21(2): 75-80.3游凤荷. 涡流检测技术的某些新进展J. 无损检测, 2001, 23(2): 10.4林俊明. 多频涡流检测原理及应用J. 无损检测, 1996(1): 23-26.5雷银照. 关于电磁场数值分析的若干认识J. 电工技术学报, 1997(6):32-34.6司倩倩. 电涡流传感器稳定性评价与实验研究D. 北京: 北京化工大学, 2011.7姜凤娟. 微型电涡流传感器的设计及制作D. 大连: 大连理工大学, 2012. 8杜方芳, 祝长生. 电涡流传感器前置器的参数对测量系统