平面电涡流传感器线圈结构参数对其灵敏度的影响

平面电涡流传感器线圈结构参数对其灵敏度的影响

敏感线圈是电流传感器的主要组件。采用微细加工工艺制作的在绝缘基底材料上的平面电涡流线圈,已广泛应用于位移测量、角度测量、无损检测、生物医学检测等方面。制作在柔性基底材料上的平面电涡流线圈,还具有良好的柔韧性,能够非常方便地对复杂表面形状的零件进行检测。近年来,有学者对平面电涡流线圈的电磁场分布和目标感应规律进行研究,提出了一些理论计算模型。然而,这些模型仅仅注重于对平面电涡流理论的分析,对线圈参数的设计缺少具体的指导。本文从电涡流检测的基本原理出发,根据平面电涡流线圈的特点,重点讨论平面电涡流线圈的结构参数对其灵敏度影响。1抗混叠置结构的工作原理电涡流检测的工作原理如图1所示。当敏感线圈通入交流电流时,线圈周围就会产生交变磁场,如果此时将金属导体靶材移入此交变磁场中,靶材表面就会感应出电涡流。而此电涡流又会产生一个磁场,该磁场的方向与原线圈的磁场的方向正好相反,从而减弱了原磁场。磁场的变化是通过敏感线圈的阻抗变化来反映的。线圈的等效阻抗Z一般可表示为Ζ=F(σ,μ,f,x,r).(1)Z=F(σ,μ,f,x,r).(1)式中:σ、μ分别是被测金属导体的电导率和磁导率;f是激励信号的频率;x是线圈与金属导体之间的距离;r是线圈的尺寸因子,与线圈的结构、形状以及尺寸相关。可见,线圈阻抗的变化完整而且唯一地反映了被测金属导体的电涡流效应。实际检测时,对不需要的影响因素加以控制,就可以实现对上式中某个相关量的检测。作为接近式传感器,线圈到金属靶材之间的距离与线圈的阻抗直接相关,而检测金属表面或近表面的缺陷时,缺陷的存在将引起被测导体电导率和磁导率的变化,进而使线圈的阻抗参数发生改变。在传统电涡流检测技术中,线性范围和灵敏度是2个重要的性能指标。而随着计算机技术的进步,在现代电涡流检测中,更关心的是电涡流线圈的灵敏度指标。灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化对输入变化的比值。在电涡流传感器中,灵敏度主要受线圈产生的磁场分布的影响,即反映敏感线圈轴向电磁场分布梯度绝对值|ue001οB/ue001οx|的大小。2圈数及磁场分布梯度根据Biot-Savart-Laplace定理,矩形截面的圆环线圈在轴线上距离x处产生的磁感应强度为B=μ0nΙ2(r1-r2)b[(x+b)lnr1+Ar2+E-xlnr1+Cr2+D].(2)B=μ0nI2(r1−r2)b[(x+b)lnr1+Ar2+E−xlnr1+Cr2+D].(2)式中:A=√r21+(x+b)2;E=√r22+(x+b)2;C=√r21+x2;D=√r22+x2;μ0为真空磁导率;μ0=4π×0.1μH·m-1;I为线圈激励电流;b为线圈厚度;r1为线圈外径;r2为线圈内径;n为线圈圈数。求导得电磁场分布梯度为οBοx=μ0nΙ2(r1-r2)[lnADEC+x(x+br1A+A2-x+br2E+E2-xr1C+C2+xr2D+D2)+b(x+br1A+A2-x+br2E+E2)].(3)对平面电涡流线圈而言,轴向尺寸一般为几μm到十几μm,远小于径向尺寸,则式(3)可简化为οBοx=xμ0nΙ2(r1-r2)(1r1√r21+x2+r1+x2-1r2√r22+x2+r2+x2).(4)可见,平面电涡流线圈的磁场分布呈负梯度变化趋势。假设x、I保持不变,而μ0为常量,则|ue001οB/ue001οx|由r1、r2和n决定,即线圈灵敏度与其外径、内径和圈数直接相关。为进一步明确线圈结构参数与其灵敏度的影响关系,仍然以Biot-Savart-Laplace定理为基础,分别对不同外径、内径和圈数条件下,线圈磁感应强度-距离曲线关系进行仿真分析,结果如图2所示。3旋转轴磁感应强度的变化利用微细加工工艺制作了14个铜质平面线圈,基底材料为聚酰亚胺,结构参数见表1。以45#钢板为目标靶,采用微分张驰振荡电路处理线圈的磁感应信号。其中,测量得到的频率变化可直接反映线圈磁感应强度变化,线圈的频率-位移曲线的斜率越大,表明线圈的灵敏度越高。从图3a、b中可见,在外径和内径不变的情况下,方形线圈3#、2#、1#和圆形线圈7#、6#、5#、4#的曲线斜率由大到小,表明线圈圈数越大,灵敏度越高。从图3c和d中可见,在内径和圈数不变的情况下,方形线圈3#、12#和圆形线圈7#、8#的曲线斜率由大到小,表明线圈外径越大,灵敏度越高。从图3e和f中可见,在外径不变的情况下,方形线圈12#、13#、14#和圆形线圈8#、9#、10#、11#的曲线斜率由大到小,表明线圈内径越小,灵敏度越高。4圈数、形态、直径对线圈灵敏度的影响在保持其他结构参数不变的前提下,平面电涡流线圈灵敏度与圈数、直径的关系是:1)线圈的灵敏度随圈数增加而提高;