電渦流效應在擺式加速度傳感器中的應用

冀雨

摘要：電渦流傳感器基于電渦流效應，是擺式加速度傳感器的重要組成部分。采用差分結構的電渦流傳感器可有效提高擺式加速度傳感器測量精度、可靠性，使其在航空航天等重要領域得到廣泛應用。本文主要介紹了電渦流效應及電渦流傳感器，并論述了電渦流效應在擺式加速度傳感器中的應用原理。

關鍵詞：電渦流效應;電渦流傳感器;加速度傳感器

Abstract：Eddycurrentsensorisanimportantpartofpendulumaccelerometerbasedoneddycurrenteffect.Theeddycurrentsensorwithdifferentialstructurecaneffectivelyimprovethemeasurementaccuracyandreliabilityofpendulumaccelerometer，whichmakesitwidelyusedinaerospaceandotherimportantfields.Thispapermainlyintroduceseddycurrenteffectandeddycurrentsensor，anddiscussestheapplicationofeddycurrenteffectinpendulumaccelerometer.

Keywords：eddycurrenteffect;eddycurrentsensor;accelerometer

擺式加速度傳感器具有小型化、大量程和高抗沖擊振動的特點，是航空、航天等慣性導航領域中應用最為廣泛的加速度傳感器[1]。電渦流傳感器基于電渦流效應，是擺式加速度傳感器的重要組成部分，是保持其力矩器動子在平衡位置的前提，是實現(xiàn)傳感器測量功能的基礎。

1電渦流效應

電渦流效應實際是電磁感應的一種表現(xiàn)形式，其示意圖如圖1所示。當線圈內(nèi)通入高頻交變電流時，線圈內(nèi)部將產(chǎn)生一個交變磁場，當交變磁場達到金屬導體表面時，由法拉第的電磁感應定律可知，金屬導體表面會產(chǎn)生自行封閉的感應電流，該電流被稱為電渦流，這種現(xiàn)象被稱為電渦流效應[2]。

2電渦流傳感器原理

電渦流傳感器由一個線圈和線圈附近的金屬導體組成，由于電渦流效應，當給線圈通入交流電時，線圈中產(chǎn)生變化的磁場，這些變化的磁場通過金屬導體時就會使導體內(nèi)部產(chǎn)生電渦流，由楞次定律可知，在電渦流作用下產(chǎn)生與原線圈感應的磁力線相反的磁場，從而抵消原線圈磁場，從而引起線圈等效阻抗或等效電感或品質因數(shù)發(fā)生變化[3]。通過檢測線圈內(nèi)電流的大小和相位便可實現(xiàn)對被檢測物體相關信息的提取。根據(jù)電渦流傳感器工作原理，其等效電路如圖2所示。線圈與金屬導體之間定義一個互感系數(shù)M，它隨著間距x的減小而增大。

根據(jù)等效電路，可以得出等效電阻、電感為

式中，R1為檢測線圈的電阻;R2為被檢測物體的等效電阻;L1為檢測線圈的電感;L2為被檢測物體的等效電感;ω為線圈激勵電流的角頻率;M為線圈與被檢測物體間的互感系數(shù)。

由上式可知檢測線圈的等效電阻值由檢測線圈自身電阻和折合電阻兩個部分組成。折合電阻與被檢測物體的電阻、電感以及互感系數(shù)相關。互感系數(shù)是檢測線圈和被檢測物體距離的函數(shù)。在檢測電路中，檢測線圈確定后，在一個特定的、已知質地材料的導體作為被檢測物體時，檢測線圈等效電阻成為了一個僅與檢測線圈和被測物件間距離有關的函數(shù)。通過對檢測線圈兩端輸出電壓信號的測量即可實現(xiàn)對被測物體與檢測線圈相對位移的測量。

電渦流傳感器基于電渦流效應原理，能準確測量被測體與探頭端面的相對位置，具有長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快等優(yōu)點。

3電渦流效應的應用

由于電渦流傳感器會受到外界干擾而存在測量誤差，要從根源上消除誤差相對比較困難，故可采用差分結構以減小誤差。差分結構原理：將兩個傳感線圈分別懸置于被檢測物體的兩邊，被檢測物體剛好位于兩個檢測線圈的中間位置，當有外界干擾發(fā)生時，兩個檢測線圈通過差分電路實現(xiàn)誤差抑制和精度提高的功能[4]。

差分式電渦流傳感器基于電渦流效應，被巧妙應用于擺式加速度傳感器。擺式加速度傳感器是采用金屬懸絲支撐敏感質量塊的閉環(huán)反饋擺式加速傳感器，當沿敏感方向上有加速度輸入時，動子在慣性力的作用下，相對平衡位置發(fā)生偏移，偏移量通過差分式電渦流傳感器進行檢測，將動子位移轉為電感變化量，在電路的作用下放大并轉換為電流信號，電流信號被反饋至伺服系統(tǒng)形成電彈簧系統(tǒng)，與慣性力矩形成等效力矩，最終使得動子穩(wěn)定在平衡位置。通過檢測反饋電流信號轉變?yōu)榈碾妷盒盘枺纯蓪崿F(xiàn)對輸入加速度的高精度測量。

4結束語

擺式加速度傳感器基于差分式電渦流傳感器和閉環(huán)反饋的工作原理，與傳統(tǒng)的石英撓性加速度傳感器和靜電平衡加速度傳感器相比，具有小體積、輕質量、大量程和高抗沖擊振動的特點，又同時具有高穩(wěn)定性、高精度等優(yōu)點，在航空、航天領域有著廣泛的應用[5]。它和陀螺儀組合構成的慣性測量單元，可完成對運載體姿態(tài)、位置的測量，是慣性導航的核心器件。隨著軍事需要的推動，小型化、抗沖擊、高精度、長壽命、高可靠性的擺式加速度傳感器的研制變得愈發(fā)重要。

參考文獻

[1]任同群，錢志龍，徐龍，王曉東.懸絲擺式加速度計擺組件自動裝配系統(tǒng)[J].光學精密工程，2021，29（07）：1609-1619.

[2]牛薇.基于電渦流原理的轉速傳感器的設計[D].哈爾濱工業(yè)大學，2014.

[3]路永樂.小型懸絲擺式加速度傳感器原理及關鍵技術研究[D].重慶大學.2015.

[4]羅鑫錦.電渦流式傳感器的突出應用功能[J].中國新通信，2019，21（06）：221.

[5]徐向東.微型懸絲擺式加速度計慣性組件裝配設備研制[D].大連理工大學，2019.