基于電渦流傳感器的信號(hào)檢測(cè)示教板研究

羅毅

摘 要：電渦流傳感器是生產(chǎn)實(shí)踐、教學(xué)研究中廣泛使用的傳感器之一，本文通過(guò)分析電渦流傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)以及典型測(cè)量電路，研究傳感器信號(hào)檢測(cè)模塊示教板制作。

關(guān)鍵詞：電渦流；信號(hào)檢測(cè)；示教板；研究

示教板制作是目前高校理論和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)新課題，本文作者針對(duì)傳感器系列課程教學(xué)，以電渦流傳感器為例，設(shè)計(jì)其檢測(cè)電路模塊，用于日常的理論與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中。

一、 電渦流傳感器基本原理

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線(xiàn)圈和被測(cè)物體（導(dǎo)電體—金屬渦流片）組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線(xiàn)圈（一個(gè)扁平線(xiàn)圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)臻g會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)線(xiàn)圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線(xiàn)圈磁通鏈穿過(guò)導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過(guò)傳感器線(xiàn)圈，這樣線(xiàn)圈與渦流“線(xiàn)圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線(xiàn)圈反饋一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線(xiàn)圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個(gè)短路環(huán)。圖中R1、L1為傳感器線(xiàn)圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線(xiàn)圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線(xiàn)圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線(xiàn)圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。由式Z、L和式Q可以看出，線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體間距離x（H）的非線(xiàn)性函數(shù)。因此Z、L、Q均是x的非線(xiàn)性函數(shù)。雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線(xiàn)性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線(xiàn)，但可以選取它近似為線(xiàn)性的一段。其實(shí)Z、L、Q的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線(xiàn)圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線(xiàn)圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)。當(dāng)電渦流線(xiàn)圈、金屬渦流片以及激勵(lì)源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關(guān)。于此，通過(guò)傳感器的調(diào)理電路（前置器）處理，將線(xiàn)圈阻抗Z、L、Q的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。

二、電渦流傳感器的常用檢測(cè)電路

電渦流傳感器的等效阻抗通常采用調(diào)頻式、調(diào)幅式、交流電橋三種測(cè)量電路進(jìn)行檢測(cè)。

（一）調(diào)頻式測(cè)量電路

將傳感器線(xiàn)圈作為L(zhǎng)C振蕩回路的組成之一，當(dāng)渦流傳感器感測(cè)到被測(cè)參數(shù)變化時(shí)，傳感器線(xiàn)圈的等效阻抗隨之變化，從而導(dǎo)致LC振蕩頻率的變化，將變化的頻率檢測(cè)出來(lái)，或者通過(guò)將頻率轉(zhuǎn)換為電壓，用數(shù)字電壓表即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。具體的電路通常由克拉波電容三點(diǎn)式振蕩器、射極輸出電路兩部分組成。

（二）調(diào)幅式測(cè)量電路

同樣是LC諧振回路，但是給回路提供了一個(gè)石英晶體振蕩器，起恒流電源的作用，從而將LC諧振回路輸出的電壓表示為含有傳感器線(xiàn)圈阻抗Z的函數(shù)。當(dāng)無(wú)金屬導(dǎo)體靠近的時(shí)候，回路諧振頻率等于石英晶體振蕩器的頻率，此時(shí)，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，表示為回路輸出的電壓也為最大。當(dāng)有金屬導(dǎo)體靠近傳感器時(shí)，由于渦流效應(yīng)，線(xiàn)圈的等效阻抗會(huì)發(fā)生變化，致使回路失諧，從而使輸出電壓降低。將該輸出電壓進(jìn)行放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出被測(cè)參數(shù)的大小。

三、電渦流傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)

（一）電渦流變換電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測(cè)體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個(gè)參數(shù)，用相應(yīng)的測(cè)量電路（前置器）來(lái)測(cè)量，本文設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)幅式測(cè)量電路。為實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器信號(hào)的測(cè)量，必須有一個(gè)專(zhuān)用的檢測(cè)電路。該檢測(cè)電路（稱(chēng)之為前置器，也稱(chēng)電渦流變換器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個(gè)檢波電路等。

采用有三極管、三個(gè)電容組成的電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號(hào)。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線(xiàn)圈是振蕩回路的一個(gè)電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號(hào)的幅值變化。⑵D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號(hào)中傳感器檢測(cè)到的低頻信號(hào)取出來(lái)。⑶Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。

電渦流傳感器是通過(guò)傳感器端部線(xiàn)圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來(lái)測(cè)物體的振動(dòng)相對(duì)位移量和靜位移的，它與被測(cè)物之間沒(méi)有直接的機(jī)械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。

當(dāng)無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線(xiàn)圈Q0為定值且最高，對(duì)應(yīng)的檢波輸出電壓Vo 最大。當(dāng)被測(cè)

導(dǎo)體接近傳感器線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線(xiàn)變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移x的變化。電渦流傳感器在位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測(cè)量上得到應(yīng)用。

（二）濾波器設(shè)計(jì)

除了前面的渦流變換電路，為了實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器對(duì)位移、振動(dòng)、加速度等多種非電參數(shù)的測(cè)量，就要考慮到電路的穩(wěn)定性與線(xiàn)性度，就必須對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，方案就是在電路中加入濾波的模塊，以保證穩(wěn)定性與線(xiàn)性度。由于振蕩器產(chǎn)生為對(duì)于不同的濾波器而言，每個(gè)信號(hào)的強(qiáng)弱程度不同。低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)（moving average）所起的作用。低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。

四、結(jié)論

示教板的設(shè)計(jì)與制作在高校傳感器教學(xué)中的作用日顯重要，通過(guò)示教板在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，課深化書(shū)本知識(shí)，強(qiáng)化工程應(yīng)用。設(shè)計(jì)和制作直觀具體、形象生動(dòng)的教具，能很好地詮釋教學(xué)的重、難點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)從感性到理性，從具體到抽象，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的教學(xué)目標(biāo)。

本文通過(guò)分析電渦流傳感器的工作原理、常用測(cè)量方法及相關(guān)電路，探討了一種電渦流傳感器測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)。為今后該示教板的制作打下了基礎(chǔ)。

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（作者單位：攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）