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传感器原理及应用论文

发布日期:2021-02-10 05:46

  传感器原理及应用论文_工学_高等教育_教育专区。电涡流传感器的原理及应用 摘要:电涡流传感器以其灵敏度高、动态响应快和测量的非接触性等优点,广泛应用于检测机 械位移、振幅、及材料的物理参数等,目前该传感器被广泛应用于电力、石油、煤炭、化工、 冶金等

  电涡流传感器的原理及应用 摘要:电涡流传感器以其灵敏度高、动态响应快和测量的非接触性等优点,广泛应用于检测机 械位移、振幅、及材料的物理参数等,目前该传感器被广泛应用于电力、石油、煤炭、化工、 冶金等行业和一些科研单位。本文对电涡流位移传感器的工作原理、研究现状、工程应用、发 展趋势及其技术缺陷等方面进行了综述, 使读者对电涡流传感器的基础知识和工程应用有一定 的了解。 关键词:电涡流传感器;工作原理;工程应用;研究现状 中图分类号:TP212.9 Principle and Application of Eddy Current Sensor Abstract: Eddy current sensor with its high sensitivity, fast dynamic response and the advantages of non-contact measurement is widely used to detect mechanical displacement , amplitude, and physical parameters of the material , at present, the sensors are widely used in electric power, petroleum, coal, chemical, metallurgy and other industries, and some research institutes. In this paper, the principle aspects, current research, engineering applications, trends and technical defects of eddy current displacement sensors were reviewed, allowing the reader to the basic knowledge and engineering applications eddy current sensors have a certain understanding. Key words: Eddy current sensor; Principle; Engineering application; Research status 0 引言 电涡流现象的发现可追溯到 1831 年,法 拉第(Michael Faradays)发现了电磁感应现象, 1879 年,休斯(Hughes)记录下了当线圈靠近 具有不同电导率及磁导率的金属导体时,其 本身特性的变化情况,但直到第二次世界大 战,电涡流效应才被实际用于金属导体材料 的探测。20 世纪 50 及 60 年代,美国本特利 公司和德国的 Rentique 研究所相继研究了电 涡流传感器原理,并逐步发展出了产品及仪 器。目前,电涡流检测方法及传感器已经成 为一种精确度高、应用广泛的传感器。上世 纪 60 年代,冶金、航空和有色金属等行业就 已经开始采用涡流来检测成型金属管材的表 面缺陷,但因涡流检测技术发展不足,在分 辨率和可靠性及抑制干扰等方面存在缺陷, 检测仅仅局限于导电材料的表面。直到 80 年 代后期,才取得一定突破,90 年代以来,其 应用领域更是扩展到航空航天、核工业、电 力、石油、化工、机械、冶金等部门[1]。随 着工业生产和科学技术发展对电涡流检测技 术的要求日益增高,电涡流检测技术及传感 器的应用将会越来越广泛。 近年来,电涡流检测技术越来越多的受 到无损检测工作者的青睐,同其他无损检测 技术相比,它具有非接触、无污染、操作方 便等特点[2]。这项基于电磁感应原理的一种 新兴检测技术,通过利用麦克斯韦方程及其 边界条件对处于敏感探头形成的电磁场中的 被测金属导体及其周围空间区域列出方程并 进行求解,对探头线圈的阻抗特性的变化与 被测体各影响因素之间的关系加以确定[3]。 本文对电涡流位移传感器的工作原理、 研究现状、工程应用、发展趋势及其技术缺 陷等方面进行了综述,使读者对电涡流传感 器的基础知识和工程应用有一定的综合了 解。 为闭合电流(称电涡流 I2),它又产生一个 与 H1 反向磁场 H2,阻碍外磁场 H1 的变化。 从而导致线圈中阻抗 Z、电感量 L 及品质因 数 Q 发生变化, 这种变化就反映了被测体的 电涡流效应的作用。 1 电涡流传感器的工作原理 电涡流传感器主要由三部分组成:探头、 延伸电缆、前置器,如图 1-1 所示。电涡流 传感器探头主要由框架和安置在框架上的线 圈组成;延伸电缆为连接探头与前置器的信 号传输线;前置器主要实现信号的发生、信 号的变换、信号的提取和信号的处理功能。 电涡流传感器检测基于涡流效应(金属导体 置于变化磁场中,导体内就会产生呈漩涡状 流动的感应电流的现象,称之为电涡流效 应),涡流的形成必须具备两个条件:存在 交变磁场;被测对象处于交变磁场中。前置 器中信号发生部分产生高频振荡电流通过延 伸电缆流入线圈,在探头端部线圈中产生交 变磁场,与在交变磁场下的被测金属导体共 同组成了电涡流传感器系统。 图 1-2 电涡流工作原理 涡流的大小与被测对象的电阻率 ρ 、磁 导率 μ、尺寸因子 r、励磁电流 I、电流角频 率 ω、导体与线圈间距离 x 等参数有关。如 果控制某些参数不变,使上述参数中某一参 数是其他参数的单一变量,就构成了测量不 同变量(参数)用的一种涡流式传感器[4]。 由于电涡流传感器的测量范围广,灵敏 度高,结构简单,抗干扰能力以及可以非接 触测量等优点,广泛用于工业生产和科学研 究的各个领域。表 1.1 给出了电涡流传感器 测量的参数,变化量及特征。 表 1.1 电涡流传感器在测量中的应用特征 图 1-1 电涡流传感器的构成 被测参数 位移,厚度, 振动 表面温度, 电解质浓 度,材质判 别, 速度 (温 度) 应力,温度 变换量 x 特征 1、非接触连续测量 2、受剩磁影响 1、非接触连续测量 2、对温度变化进行 补偿 1、非接触连续测量 2、受剩磁材料影响 依据电涡流效应在被测对象上产生磁场 反作用于探头线圈引起相关参数的变化,将 非电量转换为对应相关参数的电量变化从而 达到探测的目的。其电涡流的工作原理如图 1-2 所示。当线 时,由 于电流的变化,在线圈周围就会产生交变磁 场 H1,由于电磁感应定律可知,当被测对象 靠近探头线圈,处于磁场作用范围内时,金 属体表面层中就会感应出电流,由于此电流 ρ μ 探伤 x, ρ, μ 可以定量测量 越来越多的得到人们的关注, 并可望得到 突破性的进展[6]。 (3) 由于天然气、石油、煤炭、电力等工 程建设的大力发展, 目前对于金属管道的 无损检测受到越来越多的重视, 并使得人 们在这项无损检测项目上投入更多的精 力及技术, 对检测的灵敏度及精确度要求 也越来越高, 尤其是金属管道内部缺陷的 检测。 而远场涡流技术对内部缺陷的检测 灵敏度是很高的, 对各种长距离管道检修 都很有效,因此在我国,远场涡流技术的 研究和应用将会得到长远的发展, 并会有 更为广泛的应用[5]。 (4) 成像技术的研究和发展。随着生产力 及生产技术的不断发展, 人们生活水平的 提高, 对于各种生产生活中的缺陷的挑剔 已经打了吹毛求疵的地步。 而在工业生产 中,更希望得到最清晰直观的缺陷表观, 而三维成像技术直接的将缺陷进行成像 并对其做出更为详细的描述, 这样做不仅 使得缺陷检测更为方便立体而且更重要 的是大大的提高了产品的质量。 因此涡流 检测三维成像技术必将成为今后发展的 必然方向。 (5) 涡流 / 超声一体化检测技术。顾名思 义, 即将电涡流检测技术和超声波检测技 术集成到一起形成的一体化综合检测设 备,这样兼备了两者各自特有的功能,又 使资源得到合理有效的利用, 两者共用一 套计算机系统,大大节省了成本,这种检 测方法尤其适用于像外场飞机探伤检查 等这种的需要同时使用多种探伤手段的 情况[6]。 2 电涡流传感器的研究发展 上世纪 50 年代,欧美等发达国家对多种 形式探头线圈在检测不同形状工件时工作状 况的进行分析研究,并成功计算出了探头的 阻抗特性,以此结果研制出了第一台涡流仪 器[3]。 近年来,电涡流检测技术在我国受到越 来越多的重视并开始迅速发展,并以多元化 多方向的形式向多个研究方面发展。以清华 大学和南京航空航天大学为代表的大专院校 以及若干科研单位,其电涡流检测技术在人 工神经网络技术和三维缺陷阻抗图等研究方 面取得了很大进展[2]。而在涡流检测技术的 其他发展方向上,例如涡流探伤、电涡流传 感器等,我国也进行了深入研究,并同时取 得了较为理想的成果。 随着电涡流检测技术的发展,其主要研 究方向的各个方面都得到了长足的发展,这 些技术包括多频涡流检测技术、阻抗平面显 示技术、深层涡流技术和远场涡流检测技术。 (1) 电涡流检测探头设计的理论研究。探 头是电涡流传感器的关键器件, 对于探头 的研究一直是电涡流传感器技术发展上 的重中之重。 而目前有关探头的设计理论 尚不充分, 制造探头多凭经验或实验数据 进行。因此对探头各项参数进行理论分 析, 得出最优化探头参数将成为以后电涡 流传感器设计研究中极其重要的课题[5]。 (2) 由电涡流效应可知,具有电磁性能的 金属表面会产生电涡流效应, 可通过对此 效应与材料表面性能间关系的研究分析, 来对金属表面质量做出评价。 因此可将电 涡流效应用于金属探伤, 包括对金属材料 的裂纹扩展、开裂、加工中的磨削烧伤和 残余应力的研究等。 目前电涡流探伤技术 3 电涡流传感器的工程应用 几乎所有的金属材料都会在其表面产生 感应电涡流,因此,利用电涡流效应,不仅 可以识别金属目标物体存在与否,还可以实 现激励线圈平面与金属物体之间距离的精确 测量。利用电涡流原理,可在不接触金属目 标的情况下,准确的探测到金属物体的存在, 而且不受激励线圈与被测物体之间的非金属 介质的影响,是非常理想的非接触式测量传 感器。由于是非接触测量工作方式,不受油 污、灰尘等外界非金属因素的影响,寿命较 长,在各种恶劣条件下均可使用。 目前,电涡流传感器已经被广泛的应用 于实现金属物体的位置、位移和接近程度的 非接触测量,对一些大型的旋转机械轴的径 向振动、键相器、轴向位移、胀差、偏心、 轴转速以及零件尺寸的检验等进行在线检测 和保护。近年来,电涡流传感器又被应用于 铁路机车速度与路程的测量、磁悬浮轴承位 移的测量等,不仅有精确的测量精度,而且 结构简单,性能也不受天气等环境因素的影 响,有较强的耐用性与可靠性。 电涡流传感器的部分应用如图 3-1,3-2, 3-3,3-4,3-5,3-6 和 3-7 所示[8]。 图 3-2 测量径向跳动 图 3-3 多传感器测量弯曲变形 图 3-4 转速测量 图 3-5 油管探伤 图 3-1 偏心与振动检测 图 3-6 金属薄膜厚度测量 参考文献 [1] 任吉林.涡流检测技术近 20 年的进展[J]. 无损检测. 1998.22(5):121-128 [2] 孟得东.基于电涡流式金属探测仪的特性 研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.3 [3] 于亚婷.电涡流传感器的电磁场仿真分析 [D].成都:电子科技大学,2005.2 [4] 张红润 , 傅瑾新 , 吕泉 , 等 . 传感器技术 大全 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出版 社, 2007,1448-1472 [5] 李雨润,王军,田力男 .涡流无损检测技 术发展[J]. 无损探伤,1999.(l):36-43 [6] 雷银照, 马信山.涡流法缺陷识别的研究 现状[J]. 无损检测,1996,18(3):81-83 [7] Anlaud Devillez, Daniel Dudzinski. Tool vibration detection with eddy current sensors in Machining Process and computation of stability lobes using fuzzy classifiers [J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2007,21:441-56 [8] 图 3-7 注塑机开合模间隙测量 电涡流探头线圈作为敏感元件,其特性 阻抗受到诸多因素影响,包括金属材料的尺 寸、形状、厚度、距离、电导率、磁导率、 表面因素等。在这些因素中,只要将其余因 素固定,就可以用电涡流传感器来测量剩下 的一个因素。因此可将电涡流传感器制成测 量各种参量的传感器,应用领域非常广泛。 但同时也带来诸多不确定因素,几个甚至仅 仅一个因素的微小变化就足以影响测量结 果。所以电涡流传感器多用于定性测量,即 便是用作定量测量,也必须采用温度补偿、 计算机线性纠正、逐点标定等措施[7]。 4 总结 电涡流传感器以其灵敏度高、动态响应 快和测量的非接触性等优点,广泛应用于检 测机械位移、振幅、及材料的物理参数等, 但电涡流传感器易受安装周边环境及温度的 影响,有时存在着明显的温度漂移,随着时 间的推移和温度的变化,电涡流传感器稳定 性受到一定的影响,特别是高温区域内存在 严重的测量误差,使其应用受到很大的限制。 寻求一种有效的改善手段使电涡流传感器的 性能得到提升,应用面更加广泛,是今后研 究的重点。