消除材料敏感性的電渦流傳感器測(cè)量電路

鄭 敏 田新啟

(東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096)

電渦流傳感器廣泛應(yīng)用于化工、電力及機(jī)械等行業(yè)，在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體與探頭表面的相對(duì)位移時(shí)具有非接觸、線性度高、分辨率高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于傳感器的工作原理，使得被測(cè)體的材料特性對(duì)傳感器輸出具有很大影響，材料的電阻率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率影響著傳感器磁場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響激勵(lì)線圈與被測(cè)導(dǎo)體間互感的變化和線圈的等效阻抗，導(dǎo)致傳感器靈敏度波動(dòng)。被測(cè)材料對(duì)傳感器輸出特性的影響，使其在應(yīng)用時(shí)需要反復(fù)標(biāo)定和校準(zhǔn)，這成為限制其大范圍使用的缺陷。

針對(duì)上述傳感器材料敏感性問(wèn)題，采用阻抗投影變換方法[2]，設(shè)計(jì)出能夠消除材料敏感性的測(cè)量電路，并通過(guò)φ11mm傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)量電路消除材料敏感性的功能。

用具有不同電磁特性的被測(cè)材料研究線圈的等效阻抗時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同被測(cè)對(duì)象在相同的檢測(cè)距離下，傳感器線圈的等效電阻和等效電感存在近似線性關(guān)系。采用投影方法，將不同被測(cè)材料在相同檢測(cè)距離下的線圈等效阻抗投影到等效投影面上，使這些不同的阻抗經(jīng)投影后具有一個(gè)相同的值，從而消除傳感器對(duì)被測(cè)材料的敏感性，其原理如圖1所示。其中Zi為不同被測(cè)體在同一檢測(cè)距離下的阻抗向量；Xi為不同的檢測(cè)距離；投影平面p與直線Xi垂直；線圈阻抗Zi在向投影面上投影時(shí)，與縱軸的交點(diǎn)為Zpi，投影為Zp(Xi)。等效阻抗Zi的相位角為φi，Zi投影到水平面是等效電阻，投影到垂直面是等效感抗；θ是投影平面與橫軸的夾角。

圖1 阻抗投影原理

Zi與Zp(Xi)的關(guān)系：

Zp(Xi)=Zi×cos(θ-φi)

(1)

Zp(Xi)與Zpi的關(guān)系：

(2)

由式(1)、(2)可以得到：

(3)

通過(guò)投影的方法，同一檢測(cè)距離下不同被測(cè)材料形成的線圈阻抗可等效到一個(gè)相同的值，從而消除材料的敏感性。

2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

根據(jù)阻抗投影變換原理設(shè)計(jì)的測(cè)量電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括振蕩器、放大電路、V-I轉(zhuǎn)換電路、移相器、相敏檢波電路和非線性補(bǔ)償電路。

圖2 基于阻抗投影變換原理的測(cè)量電路結(jié)構(gòu)

2.1 振蕩器

MAX038集成芯片只需個(gè)別的外圍元件就能產(chǎn)生從0.1Hz～20MHz的低失真正弦波、三角波及矩形波等信號(hào)[3]，具有精密、低失真、低溫漂及外圍元件少等特點(diǎn)。為減少電路的分立元件，采用集成的信號(hào)發(fā)生芯片產(chǎn)生1MHz的正弦波信號(hào)。其輸出電壓V0具有恒定幅值、相位和頻率，經(jīng)放大后同時(shí)供給換流器和移相器。

2.2 放大電路

由于MAX038輸出信號(hào)的幅值為2V，不利于后續(xù)電路的工作，而且會(huì)使相敏檢波電路的輸出電壓過(guò)小而影響電路輸出信號(hào)的進(jìn)一步處理。為了調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)的幅值，使其在合適的范圍，采用具有更高輸入阻抗和較低輸出阻抗的同相比例放大電路進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)小于6。

2.3 移相器

移相器的作用是將放大的正弦波信號(hào)移動(dòng)相應(yīng)的角度，并要超前于激勵(lì)信號(hào)。電路中移相器的輸入為前級(jí)振蕩電路產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大后的信號(hào)Vs，輸出為要得到的投影參考信號(hào)Vr。移相器設(shè)計(jì)電路如圖3所示，當(dāng)R1=R2時(shí)，|Vs|=|Vr|、相頻θ=π-2arctan(ωR3C1)。在信號(hào)頻率一定時(shí)，只需合理選取R3和C1的值，即可得到移相的角度。移相的角度即為投影軸的角度，經(jīng)實(shí)測(cè)投影角θ=143.06°。

圖3 移相器電路

2.4 V-I轉(zhuǎn)換電路

V-I轉(zhuǎn)換電路，即換流器，是將放大后的振蕩器的輸出電壓Vs變換為電流源Is，給探頭線圈提供穩(wěn)定的高頻電流。為了使電壓信號(hào)準(zhǔn)確反映探頭線圈的阻抗信息，要求換流器的輸出為恒流源。電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，求得Is=Vs/R7，輸出電流源只決定于輸出電壓Vs和電阻R7，與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流源的功能。

圖4 V-I轉(zhuǎn)換電路

2.5 相敏檢波電路

相敏檢波電路是實(shí)現(xiàn)阻抗投影變換的關(guān)鍵電路。當(dāng)輸入信號(hào)和參考信號(hào)同頻率時(shí)，檢波電路的輸出隨兩信號(hào)相位差的余弦而變化。相敏檢波電路由乘法器和低通濾波電路組成[4]，其原理如圖5所示。

圖5 相敏檢波電路原理

設(shè)探頭信號(hào)：

Vm(t)=Vmcos(ωt+φm)

(4)

參考信號(hào)：

Vr(t)=Vrcos(ωt+φr)

(5)

乘法電路的輸出信號(hào)：

(6)

為此，選擇高速、帶寬、高乘法精度的HA1-2556型四象限模擬乘法器，實(shí)現(xiàn)Vm在Vr方向上的投影變換。同時(shí)設(shè)計(jì)截止頻率為10kHz的三階巴特沃斯低通濾波器，過(guò)濾乘法器輸出的高頻分量，并抑制噪聲干擾，使得整個(gè)電路的工作更加穩(wěn)定可靠。經(jīng)濾波后，乘法器輸出信號(hào)中的2MHz交流信號(hào)的幅值衰減為原來(lái)的1/106。

2.6 非線性補(bǔ)償電路

為獲得良好的線性化補(bǔ)償，以函數(shù)補(bǔ)償法為基礎(chǔ)[5]，通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)三次補(bǔ)償函數(shù)的運(yùn)算，進(jìn)而設(shè)計(jì)出線性化器。非線性補(bǔ)償電路原理如圖6所示，電路采用AD534模擬乘法器、AD620放大器和LM317穩(wěn)壓器。其中，AD534為四象限乘法器，最大誤差0.25%；LM317穩(wěn)壓器通過(guò)改變調(diào)節(jié)電阻的值提供所需的3個(gè)基準(zhǔn)電壓V1、V2和V3；AD620對(duì)校正后的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大，僅需一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益倍數(shù)A。電路中的輸入與輸出有如下關(guān)系：

Va=(V1-Vp)×(Vp-Vn)

(7)

Vb=(V2-Va)×(Vp-Vn)

(8)

Vout=A×(Vb-V3)

(9)

由式(7)～(9)得出對(duì)相敏檢波電路輸出電壓信號(hào)Vp補(bǔ)償后的輸出Vout=A(V2×Vp-V1×Vp2+Vp3-V3)。當(dāng)校正函數(shù)發(fā)生改變時(shí)，只需根據(jù)校正函數(shù)中的各項(xiàng)系數(shù)調(diào)整相應(yīng)穩(wěn)壓電路的輸出，就可以得到所需的補(bǔ)償函數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出線性化。

圖6 補(bǔ)償電路原理

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

利用φ11mm傳感器探頭測(cè)得不同被測(cè)材料下傳感器輸出的電壓值。在不同材料下對(duì)應(yīng)的傳感器輸出特性曲線如圖7所示。同時(shí)給出這些擬合直線的直線方程及線性擬合度等參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖7 傳感器輸出線性擬合結(jié)果

被測(cè)材料擬合直線方程(Y=A+BX)AB線性擬合度夾角(°)銅0．4001．1780．9995849．67鐵0．3711．1900．9993749．96鋁0．3811．1900．9993749．9645#鋼0．3671．1810．9993849．74A3鋼0．4321．1800．9992749．72不銹鋼0．4001．1780．9995849．67DT4鐵0．4121．8100．9992749．74

從圖7和表1可以看出，經(jīng)非線性補(bǔ)償后，傳感器輸出的線性擬合度達(dá)到0.999。同時(shí)由擬合直線的斜率和夾角得出，不同材料對(duì)應(yīng)的擬合直線近似重合，這表明傳感器在不同材料下的輸出特性近似相同，能消除被測(cè)材料的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析阻抗投影變換原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)阻抗投影變換原理的測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)了消除傳感器對(duì)被測(cè)材料的敏感性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出兩個(gè)結(jié)論：相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)了線圈等效阻抗的投影，完成了輸出值的同一化，非線性補(bǔ)償電路對(duì)7種被測(cè)材料的輸出補(bǔ)償具有良好的線性化結(jié)果；從輸出擬合直線的重合性得出測(cè)量電路的正確性，也實(shí)現(xiàn)了消除材料敏感性的功能，得到設(shè)計(jì)的φ11mm傳感器的材料敏感性誤差為±1.8%，優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。

[1] 李玉軍,劉軍,周軍偉,等.電渦流傳感器在鋁箔厚度測(cè)量中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2005,24(6):77～78.

[2] Yu Y T,Du P A.Research on the Correlation between Measured Material Properties and Output of Eddy Current Sensor[C].2005 IEEE International Conference on Industrial Technology.Hong Kong:ICIT,2005:428～431.

[3] 黃慶彩,祖靜,裴東興.基于MAX038的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(z1):321～322.

[4] 趙維謙,譚久彬,劉冰峰,等.改善調(diào)幅式傳感器測(cè)量電路精度的措施[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2001,22(3):247～250.

[5] 薛亞琴,劉奕平.電渦流傳感器特性曲線擬合的新方法[J].傳感器技術(shù),2003,22(7):42～44.