基于恒頻寬帶調(diào)幅的電渦流傳感器的研究

基于恒頻寬帶調(diào)幅的電渦流傳感器的研究

1金屬導(dǎo)電導(dǎo)率同環(huán)境質(zhì)量的影響根據(jù)麥克斯韋公式，隨著時間的推移，電流生成一個磁體。隨著時間的推移，磁體周圍會產(chǎn)生一個封閉的“旋轉(zhuǎn)”場。如圖1所示。傳感器線圈由高頻信號激勵i1,使它產(chǎn)生高頻交變磁場H1,當(dāng)被測金屬導(dǎo)體置于該磁場的作用范圍內(nèi)時,在被測導(dǎo)體表層產(chǎn)生電渦流,而該電渦流又會反過來產(chǎn)生反向磁場作用于線圈,從而改變線圈的電參數(shù),如線圈的阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)。這些參數(shù)是由線圈的物理性質(zhì)決定的,物理性質(zhì)包括磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、距離y、線圈尺寸γ、激勵電流強度I和頻率f.線圈的阻抗可以表示為由式(1)可知,當(dāng)上述參數(shù)中只有一個參數(shù)變化(例如y),其他參數(shù)不變時,線圈阻抗Z成為y的單值函數(shù)。在高頻信號激勵下,當(dāng)被測體與傳感器之間的相對位置改變時,傳感器的電參數(shù)隨之發(fā)生改變,從而把位移量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化,這就是電渦流傳感器進(jìn)行位移測量的基本原理。2測量電路構(gòu)成電渦流傳感器的測量電路可以歸納為調(diào)幅式和調(diào)頻式2種。調(diào)幅式電路又可分為恒定頻率的調(diào)幅式與頻率變化的調(diào)幅2種。這里采用的是恒定頻率調(diào)幅式電路。恒定頻率調(diào)幅式電路的特點是輸出可已被調(diào)理為直流電壓,而對直流電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的速度快、時間短、可以降低功耗。電渦流傳感器測量位移時,當(dāng)被測金屬導(dǎo)體與電渦流傳感器線圈之間有距離變化時,測量電路中就有相應(yīng)幅值變化的高頻電壓輸出,而此高頻電壓的頻率仍為振蕩器提供的頻率。這里設(shè)計的電渦流傳感器測量電路可將這一恒定頻率調(diào)幅波的高頻電壓去掉,將高頻電壓調(diào)理為直流電壓進(jìn)行測量,使測量過程易于實現(xiàn)。測量電路構(gòu)成框圖如圖2所示。測量電路包括電渦流傳感器、石英晶體振蕩器、正反饋放大電路、檢波濾波4個主要部分。2.1等效電路分析傳感器的主要元件是固定于框架上的扁平線圈。線圈尺寸和形狀關(guān)系到傳感器的靈敏度和測量范圍。H.R.Loos提出把被測導(dǎo)體簡化為唯一的環(huán)——渦流環(huán)。從而把電渦流傳感器與被測體之間簡化為空心變壓器的數(shù)學(xué)模型,稱為Loos模型。圖3為電渦流傳感器的等效電路。這一模型使得電渦流傳感器的理論分析得到簡化。由圖3可知:被測體和線圈都等效成內(nèi)電阻和自身電感2部分,當(dāng)振蕩器激勵傳感器線圈時,根據(jù)基爾霍夫定律有當(dāng)線圈的參數(shù)確定后,L1、L2、R1、R2均為固定值;ω為振蕩器的激勵角頻率;線圈與被測體間的互感M隨著距離而改變。傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計需要對線圈反復(fù)繞制,從而求得最佳的線圈尺寸參數(shù),現(xiàn)在,可借助計算機利用Matlab軟件將探頭參數(shù)輸入,對傳感器的輸出電壓隨位移變化的改變量進(jìn)行仿真計算,圖4為激勵線圈電壓-位移關(guān)系流程圖。這里取線圈的參數(shù)為:外徑為60mm,內(nèi)徑為56mm,軸向厚度為2mm,匝數(shù)為40,線圈與被測體間距離經(jīng)Matlab仿真后如圖5所示。2.2耦合電阻選擇在電磁無損檢測系統(tǒng)中,信號頻率及其穩(wěn)定性對檢測效果影響很大,一般說來,若振蕩頻率變化1%,則輸出要變化10%。晶體振蕩電路就可以得到±0.001%左右的精度(包含溫度穩(wěn)定性),且對于一般的應(yīng)用不需要對振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整,所以采用高精度、高穩(wěn)定度的石英晶體來提供頻率穩(wěn)定的高頻信號(1MHz),以激勵由傳感器線圈L1和電容C4組成的并聯(lián)諧振回路。圖6即為采用的石英晶體振蕩電路圖。當(dāng)傳感器線圈L1與并聯(lián)電容C4組成的諧振固有頻率f0等于振蕩器供給的高頻信號頻率時,回路發(fā)生諧振,此時輸出的電壓U最大,設(shè)為U0。而測量時,亦即被測體接近傳感器時,傳感器的阻抗發(fā)生變化,從而引起輸出電壓U發(fā)生變化,這時載波頻率仍保持不變,但幅值發(fā)生了變化,因此通過測量電壓幅值的變化可間接來反映距離的變化情況。圖4的電阻R8稱為耦合電阻,用來降低振蕩器的負(fù)載,又作為恒流源內(nèi)阻。R8大,靈敏度小;R8小,則靈敏度高,但太小時,由于對振蕩器的旁路作用,反而使靈敏度減小,所以耦合電阻的選擇應(yīng)考慮到晶振的輸出阻抗和傳感器構(gòu)成的諧振回路的品質(zhì)因素。經(jīng)實驗驗證,取R8=3kΩ時該電路的靈敏度較高。2.3源極輸出器+一級場效應(yīng)管由于測量電路要求緊接的后一級有高的輸入阻抗,以減小測量電路的負(fù)載,提高LC并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù),因此,在電壓激勵傳感器線圈之后,直接加了一級場效應(yīng)管源極輸出器,增強帶載能力,這里選用噪聲低、溫度特性好、輸入阻抗高的結(jié)型場效應(yīng)管。2.4直接耦合放大電路電渦流位移傳感器是將位移量轉(zhuǎn)化為電信號,由于信號為變化緩慢的非周期信號,而且比較微弱,只有通過放大才能驅(qū)動負(fù)載?？紤]到所測量的電信號變化緩慢,故采用三極管搭接的三級直接耦合放大電路將其放大。為了擴大傳感器線圈的線性范圍,在反饋放大器環(huán)節(jié)中添加了正反饋電阻,使放大器的增益隨著距離的加長而增加,從而提高測量曲線的線性度。因此可由輸出電壓的變化來檢測傳感器與被測體之間距離的變化。利用正反饋回路放大器,可以使距離的測量范圍得到擴大。2.5轉(zhuǎn)換直流電壓信號檢波濾波的作用是將高頻載波電壓信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號。因此采用2只二極管2AP9組成倍壓檢波器,再由LC組成的濾波器進(jìn)行濾波,以此來得到直流信號。3帶檢測板檢測電路圖7給出電渦流位移傳感器信號接收部分電路圖。為了對所設(shè)計的大位移電渦流測量電路進(jìn)行試驗,把電渦流傳感器固定在一方,在另一方放置一塊厚度為1.5mm,面積為(100×120)mm2的鐵板,作為被測體,該鐵板能在裝置上移動,移動值用千分游標(biāo)尺讀數(shù)。測量電路的輸出電壓用數(shù)字示波器直接進(jìn)行讀數(shù),當(dāng)鐵板移動時(用千分游標(biāo)尺讀出數(shù)據(jù)),在數(shù)字電壓表上讀出相應(yīng)的輸出電壓值V0,把這組數(shù)據(jù)畫成位移-電壓曲線,坐標(biāo)Vob為輸出的相對電壓(Vob表示輸出電壓值V0與最大輸出電壓V0max的比值)。位移-電壓曲線圖如圖8所示。4傳