同轴三线圈电涡流传感器的设计

同轴三线圈电涡流传感器的设计

电流传感器具有良好的动态响应性、灵敏度高、工作稳定可靠等特点。它可以在恶劣环境下工作，如灰尘和污水泛滥。电铬传感器的测量理论相对成熟，但普通电铬传感器对金属的测量距离较小。实际产品通常不超过10mm，需要在不同的场合进行距离金属测量。为了解决这一问题，本文分析了一种新的电流传感器线圈结构。该结构采用三种线圈工作法，并将流量检测线圈和流量输出线圈分离和配置。当流量输出激励线圈与稳定频率和稳定频率的交流信号相连时，流量检测线圈仅对流量信号敏感，因此测量方法显著增加。1长度传感器圈的配置和几何尺寸的确定1.1涡流检测圈的检测当金属材质、传感媒介等其他条件一定时,为了使传感器探测距离x足够大,可采用如下两种方法布置线圈.(1)双线圈重叠法.如图1(a)所示,传感器探头部分有2个线圈:一个是激励线圈,工作时通以稳频稳幅的大幅值交流电流;另一个是涡流检测线圈,不接外部激励源,其功能在于感应涡流磁信号.这2个线圈部分互相重叠.若没有被测金属时,小心调整2个线圈的重叠面积.如图1(b)所示,在涡流检测线圈中,瞬时磁通˙Φ的代数和为0,即˙E2=-d˙Φdt=0,则˙Ι2=0.其中,˙E2、˙Ι2分别为涡流检测线圈的感应电动势和感应电流.当被测金属接近传感器探头时(见图1(a)),在金属表面感应出一定深度的涡流环,其涡流环的深度、直径和涡流大小与激励线圈的物理几何参数有关,但涡流环的交变频率与激励线圈的电流频率相同,且涡流环和激励线圈同轴.当激励线圈和被测金属的物理几何参数固定后,˙Ι2是x的函数.然而,由于电涡流˙Ι2(x)和激励线圈电流˙Ι1的相位不一致,故感应出的涡流对激励线圈有能耗作用,但因为激励线圈的电流幅值较大,所以涡流对它的影响相对较小.由于电涡流会使涡流检测线圈中产生感应电动势,故此时˙E2、˙Ι2均不为0.若被测金属的电阻率和磁导率也被固定,则˙E2、˙Ι2的大小只与距离x有关,即I2=f(x).通过检测I2的大小,就可以确定距离x.很显然,因为没检测金属时,涡流检测线圈中要求没有电信号,所以这种方法激励线圈和涡流检测线圈的位置关系难于准确确定,在实际使用时存在一定困难.(2)同轴三线圈法.如图2所示,探头主要由3个同轴线圈构成,按直径从大到小的顺序,依次为外层激励线圈、涡流检测线圈和内层激励线圈.其中,外层和内层激励线圈都通以稳频稳幅的交变电压,且内外层线圈的电流频率相同,但幅值和匝数可以不一样,具体数值须满足涡流检测线圈内的瞬时磁通˙Φ的代数和为0,即˙E=-d˙Φdt=0,则˙Ι=0.其中,˙E、˙Ι分别是涡流检测线圈的感应电动势和感应电流.当探头靠近被测金属时,被测金属表面将产生涡流.此涡流也会使涡流检测线圈中产生感应电动势和感应电流,其大小是x的函数,故只要测出该感应电流,即可知道距离x.1.2外、数字激励圈等效电阻当同轴三线圈探头远离被测金属,即不处在金属探测状态时,忽略分布电容的影响,可得出探头等效电路,如图3所示.显然,根据基尔霍夫定律有˙Ι1R1+jωL1˙Ι1-jωΜ12˙Ι2-jωΜ13˙Ι3=˙U1˙Ι2R2+jωL2˙Ι2-jωΜ12˙Ι1-jωΜ23˙Ι3=˙U2˙Ι3R3+jωL3˙Ι3-jωΜ13˙Ι1-jωΜ23˙Ι2=0}(1)式中:R1、R2、R3分别为外、内层激励线圈电路等效电阻以及涡流检测线圈等效电阻;L1、L2、L3分别为外、内层激励线圈电路等效电感以及涡流检测线圈等效电感;M12、M13、M23分别为内、外层线圈间互感,外层、涡流检测线圈间互感和内层、涡流检测线圈间互感;ω为内、外层线圈给定电压的角频率.又因为没有探测金属时涡流检测线圈电流为0,即˙Ι3=0(2)将方程(2)代入方程组(1),可解得˙Ι1R1+jωL1˙Ι1-jωΜ12˙Ι2=˙U1˙Ι2R2+jωL2˙Ι2-jωΜ12˙Ι1=˙U2Μ13˙Ι1+Μ23˙Ι2=0}(3)进一步可解得˙U1˙U2=-R1Μ23Μ13+jω(L1Μ23Μ13+Μ12)R2+jω(L2+Μ12Μ23Μ13)(4)此即涡流检测线圈电流为0的一个重要条件.另外,由式(3)可知,当˙Ι1˙Ι2=-Μ23Μ13(5)时,也能保证涡流检测线圈感应电流为0.通过以上分析可知,涡流检测线圈感应电流为0的条件为˙U1˙U2=-R1Μ23Μ13+jω(L1Μ23Μ13+Μ12)R2+jω(L2+Μ12Μ23Μ13)(6)或˙Ι1˙Ι2=-Μ23Μ13(7)当线圈绕制好并制成探头后,L1、L2、L3、M12、M13、M23均为可计算的常数,此时可调整U˙1和U˙2或者Ι˙1和Ι˙2,使涡流检测线圈感应电流为0.换句话说,在绕制线圈和通以激励电信号时,必须满足式(6)或(7)的条件.2计算涡流环的强度探头制作好后,当检测金属时,系统等效电路变为如图4所示.根据基尔霍夫定律:Ι˙1R1+jωL1Ι˙1-jωΜ12Ι˙2-jωΜ13Ι˙3-jωΜ14Ι˙4=U˙1Ι˙2R2+jωL2Ι˙2-jωΜ12Ι˙1-jωΜ23Ι˙3-jωΜ24Ι˙4=U˙2Ι˙3R3+jωL3Ι˙3-jωΜ13Ι˙1-jωΜ23Ι˙2-jωΜ34Ι˙4=0Ι˙4R4+jωL4Ι˙4-jωΜ14Ι˙1-jωΜ24Ι˙2-jωΜ34Ι˙3=0}(8)若要进行定量计算,则必须计算出L4、R4、M14、M24、M34的值.根据电涡流理论,尽管电涡流在轴向和径向都不是均匀的,但可将它等价为一个涡流计算环,如图5所示.图中,涡流环的大小为a=0.501189r1(9)r6=1.133837r1(10)b=1ωμσ(11)式中:a为涡流环宽度;b为涡流环厚度;r6为涡流计算环中心半径;r1为外层激励线圈的外半径;σ为金属电导率;μ为磁导率;ω为激励线圈的角频率,其值与电涡流角频率相同.由此,式(8)中各参数均可进行计算.另一方面,当线圈绕制好,并且线圈间的位置关系固定后,线圈的自感和互感可以通过实测得到,具体制作时,可先作理论计算,绕好后再实测修正,以满足式(6)或(7)的条件.由此,根据式(8)～(11)可解出涡流检测线圈上的电流,此电流也是涡流检测线圈中的电流增量.3铜的电导率与环境条件普通电涡流传感器的等效电路如图6所示.由图可见,传感器线圈既是磁场激励线圈,又是电涡流信号接收线圈.于是,可写出下面方程组对这一关系进行描述.即Ι˙1R1+jωL1Ι˙1-jωΜ14Ι˙4=U˙1Ι˙4R4+jωL4Ι˙4-jωΜ14Ι˙1=0}(12)由式(12)可解出激励接收线圈上电流的变化为ΔΙ˙1=U˙1R1+jωL1-U˙1R1+R4ω2Μ142R42+ω2L42+jω(L1-L4ω2Μ142R42+ω2L42)(13)本文假设如下数据:被测金属为平面铜板,激励线圈电信号频率为50kHz,此时,铜的电导率σ=5.8×107S/m,磁导率μ≈μ0=4π×10-7H/m,所有线圈均采用单股铜漆包线螺旋绕制而成,单股芯线直径∅为0.2mm,导线电阻率ρ=0.01678μΩ·m,激励电信号|U˙1|=1V,对于长距离涡流传感器,3个线圈轴心重合放置,如图7所示.线圈尺寸参数设定如表1所示.表中,“径向宽度”是指线圈在半径方向绕制线圈部分的宽度,如图7中每种线圈中有剖面线部分的半径方向宽度;高度是指线圈轴向长度.图8所示为长距离涡流传感器与普通涡流传感器的比较.由图可见,在检测相同距离的金属时,长距离涡流传感器的涡流检测线圈的电信号更强,即在相同条件下,它的灵敏度要高于普通涡流传感器,检测的距离也比普通涡流传感器检测的距离要远得多.但是,当距离增加到一定值时,如图中检测距离达到200mm后,长距离涡流传感器的电信号输出基本维持恒定值,并不随距离的改变而改变.然而,普通涡流传感器的电信号输出对距离的变化却很敏感.这说明在较大距离测量时,长距离涡流传感器不能检测探头离被测金属的距离,而只能检测出是否有金