[電渦流傳感器的電工、電子學(xué)分析] 電工與電子學(xué)

　　收稿日期：2006-09-08? 　　作者簡介：羅靜萍（1944－），女，湖南湘潭人，武漢科技大學(xué)中南分校信息工程學(xué)院副教授。? 　�。ㄎ錆h科技大學(xué)中南分校 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）??
　　
　　摘要：以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，以基爾霍夫定律為工具，分析電渦流傳感器的工作原理，得出相關(guān)結(jié)論。同時采用電子線路實現(xiàn)其參數(shù)轉(zhuǎn)換，使之成為實用的檢測技術(shù)和檢測儀表。?
　　關(guān)鍵詞：電渦流；傳感器；基爾霍夫定律；穩(wěn)頻調(diào)幅式電子測量???
　　
　　1 引言?
　　電渦流由加貝(Gambey)在1824年的實驗中發(fā)現(xiàn)。在擺動的磁鐵下方放一塊銅塊，磁鐵的擺動將會很快停止，從而指出了電渦流的存在。幾年后，付科(Foucault)又證實了：在強的不均勻磁場內(nèi)運動的銅盤中有電流存在。1831年，法拉第(Faraday)總結(jié)出電磁感應(yīng)定律，成為解釋渦流試驗基本原理的重要依據(jù)。電渦流的實際應(yīng)用始于1879年，到上世紀(jì)中葉，生產(chǎn)出了電渦流傳感器及檢測儀表，至今逐步形成了各種形式和用途的系列化電渦流檢測儀表。?
　　電渦流檢測技術(shù)是一種非接觸式測量技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量線性范圍大、不受油污介質(zhì)的影響、抗干擾能力強等優(yōu)點，在工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。典型應(yīng)用場合為火電廠汽輪機的軸向位移、振動、主軸偏心度測量，還可以用于測量壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電導(dǎo)率、厚度和間隙等參數(shù)，以及探測金屬材料表面的缺陷和裂紋。?
　　本文以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，以基爾霍夫定律為工具，分析電渦流傳感器的工作原理，得出影響其性能的有關(guān)結(jié)論。同時給出采用電子技術(shù)實現(xiàn)其參數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，使之成為能付諸實用的檢測技術(shù)和檢測儀表。因此本文對于教學(xué)也不失為一個很好的綜合性范例。?
　　2 電渦流傳感器工作原理分析?
　　電渦流傳感器主要由一個扁平線圈構(gòu)成。圖1為電渦流傳感器原理圖，在離線圈（電渦流傳感器）1某一距離d（可變）處有一塊金屬板導(dǎo)體（被測體）2。當(dāng)線圈中通以頻率為?ω的高頻交變電流i1時，線圈周圍便產(chǎn)生一高頻交變的磁場Φ1。在此磁場范圍的金屬板內(nèi)便會產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流i2，由于這種電流在導(dǎo)體內(nèi)呈閉合旋渦形狀，故稱之為渦流。同時，此電渦流也將產(chǎn)生一個交變磁場Φ2。根據(jù)有關(guān)電磁定律，電渦流磁場總是抵抗原磁場的存在，使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流損耗，并引起原邊線圈的等效電感L、等效阻抗Z和品質(zhì)因素Q降低。?
　　
　　電感量L的變化大小與線圈的外形尺寸r、被測距離d、金屬體材料的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵電流i及激勵電流角頻率ω等因素有關(guān)，即
　　
　　對指定的傳感器探頭，若金屬導(dǎo)體為某一均質(zhì)材料，激勵電流是穩(wěn)頻穩(wěn)幅的，則r,ρ,μ,ω，i均為定值，L僅與被測距離d有關(guān)，即等效電感L的變化可近似認(rèn)為是距離d變化的單值函數(shù)。?
　　事實上，金屬導(dǎo)體內(nèi)的渦流難以直接測量，但渦流所產(chǎn)生的磁場對原激勵磁場產(chǎn)生影響，使原邊線圈的等效電感L、等效阻抗Z和品質(zhì)因素Q發(fā)生變化。因此，通過測量L、Z、Q的變化量來測量位移，這就是電渦流傳感器的基本原理。?
　　
　　3 等效電路分析方法?
　　
　　對電渦流傳感器可采用等效電路方法分析，如圖2所示。設(shè)：?R1和L1為傳感器線圈的電阻和電感，R2和L2為被測導(dǎo)體的等效損耗電阻和電感，e為激勵電壓，M為互感系數(shù)。d減小，則M增大。由基爾霍夫定律可列出圖2的方程組?
　　
　　反映兩個線圈耦合的松緊程度，它與兩個線圈的相互位置和方向有關(guān)。當(dāng)兩個線圈的軸線一致時，線圈靠得越近，耦合得越緊，互感系數(shù)M值越大，耦合系數(shù)k也隨之增大。?
　　
　　4 影響電渦流傳感器的基本因素分析?
　　
　　根據(jù)以上各式，我們可分析出影響電渦流傳感器的因素。這里以阻抗公式（2）為例。?
　　若采用高頻振蕩源，則ωL2＞＞R2，2）式可近似為
　　
　　由此我們得出如下結(jié)論：??
　　(1)阻抗Z受耦合系數(shù)k影響較大，但k主要與其探頭和金屬導(dǎo)體的距離d有關(guān)。
　　(2)探頭內(nèi)阻R1、金屬導(dǎo)體的內(nèi)阻R2和電感L2對阻抗變化的影響較小。
　　(3)增加探頭的電感L1與提高振蕩頻率ω有利于測量阻抗。?
　　以上是從電渦流損耗時對阻抗Z引起的變化，來討論電渦流傳感器的各種影響因素。還可根據(jù)式（5）從回路品質(zhì)因素Q的角度，或者根據(jù)式（4）從線圈電感變化的角度出發(fā)進(jìn)行討論。?
　　
　　5 電渦流測量的電子技術(shù)實現(xiàn)方法?
　　
　　 根據(jù)上述分析，電渦流傳感器線圈與金屬導(dǎo)體間的距離d的變化,可以變換為線圈的品質(zhì)因素Q、等效電感L、等效阻抗Z三個參量的變化。接下來的工作是要采用適當(dāng)?shù)碾娮泳�路，將位移信號變換為電壓或頻率信號。
　　按照測量電路的工作原理，我們討論一種穩(wěn)頻調(diào)幅式檢測轉(zhuǎn)換方法，如圖4所示。?
　　
　　石英晶體振蕩器為測量電路提供一個穩(wěn)頻穩(wěn)幅的高頻正弦波信號，以激勵由傳感器線圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振回路。當(dāng)傳感器處于非測量狀態(tài)時，LC回路的固有振蕩頻率等于石英晶體振蕩器輸出的頻率，產(chǎn)生諧振，LC回路的阻抗最大，因為LC回路與電阻R實際上組成了一個分壓電路，因而輸出電壓uo亦為最大。當(dāng)被測體接近傳感器時，傳感器線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于被測體，由于被測金屬板表面的渦流反射作用，使線圈L值降低，導(dǎo)致回路失諧，傳感器的等效阻抗隨被測距離d的減小而減小，輸出電壓也隨之減小。?
　　可見，阻抗的變化是距離d的單值函數(shù)，而輸出電壓uo又是阻抗Z的單值函數(shù)，這樣，就將位移d的變化量轉(zhuǎn)換成電壓u0的變化量，即u0＝f(d)。?
　　交流輸出電壓u0在前置放大器中進(jìn)行高頻交流放大、檢波、濾波等環(huán)節(jié)處理后轉(zhuǎn)換成直流電壓U0輸出，供指示、記錄、報警和保護(hù)使用。由于這種測量方法載波頻率不變，輸出電壓幅值變化，故稱為穩(wěn)頻調(diào)幅法。?
　　得到的直流輸出電壓U0與位移的關(guān)系如圖4所示，它是一條非線性曲線。當(dāng)位移在線性區(qū)內(nèi)，電渦流傳感器測量電路輸出的直流電壓信號值與被測位移量或振動幅值成正比。將線性區(qū)作為電渦流傳感器的工作區(qū)，據(jù)此可形成具有實用價值的電渦流傳感器檢測技術(shù)和檢測儀表。?
　　
　　參考文獻(xiàn)
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　　[3][ZK(]王志祥.熱工保護(hù)與順序控制[M].北京：中國電力出版社,1998.

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