同軸三線圈電渦流傳感器的設計

電流傳感器具有良好的動態響應性、靈敏度高、工作穩定可靠等特點。它可以在惡劣環境下工作，如灰塵和污水泛濫。電鉻傳感器的測量理論相對成熟，但普通電鉻傳感器對金屬的測量距離較小。實際產品通常不超過10mm，需要在不同的場合進行距離金屬測量。為了解決這一問題，本文分析了一種新的電流傳感器線圈結構。該結構采用三種線圈工作法，并將流量檢測線圈和流量輸出線圈分離和配置。當流量輸出激勵線圈與穩定頻率和穩定頻率的交流信號相連時，流量檢測線圈僅對流量信號敏感，因此測量方法顯著增加。1長度傳感器圈的配置和幾何尺寸的確定1.1渦流檢測圈的檢測當金屬材質、傳感媒介等其他條件一定時,為了使傳感器探測距離x足夠大,可采用如下兩種方法布置線圈.(1)雙線圈重疊法.如圖1(a)所示,傳感器探頭部分有2個線圈:一個是激勵線圈,工作時通以穩頻穩幅的大幅值交流電流;另一個是渦流檢測線圈,不接外部激勵源,其功能在于感應渦流磁信號.這2個線圈部分互相重疊.若沒有被測金屬時,小心調整2個線圈的重疊面積.如圖1(b)所示,在渦流檢測線圈中,瞬時磁通˙Φ的代數和為0,即˙E2=-d˙Φdt=0,則˙Ι2=0.其中,˙E2、˙Ι2分別為渦流檢測線圈的感應電動勢和感應電流.當被測金屬接近傳感器探頭時(見圖1(a)),在金屬表面感應出一定深度的渦流環,其渦流環的深度、直徑和渦流大小與激勵線圈的物理幾何參數有關,但渦流環的交變頻率與激勵線圈的電流頻率相同,且渦流環和激勵線圈同軸.當激勵線圈和被測金屬的物理幾何參數固定后,˙Ι2是x的函數.然而,由于電渦流˙Ι2(x)和激勵線圈電流˙Ι1的相位不一致,故感應出的渦流對激勵線圈有能耗作用,但因為激勵線圈的電流幅值較大,所以渦流對它的影響相對較小.由于電渦流會使渦流檢測線圈中產生感應電動勢,故此時˙E2、˙Ι2均不為0.若被測金屬的電阻率和磁導率也被固定,則˙E2、˙Ι2的大小只與距離x有關,即I2=f(x).通過檢測I2的大小,就可以確定距離x.很顯然,因為沒檢測金屬時,渦流檢測線圈中要求沒有電信號,所以這種方法激勵線圈和渦流檢測線圈的位置關系難于準確確定,在實際使用時存在一定困難.(2)同軸三線圈法.如圖2所示,探頭主要由3個同軸線圈構成,按直徑從大到小的順序,依次為外層激勵線圈、渦流檢測線圈和內層激勵線圈.其中,外層和內層激勵線圈都通以穩頻穩幅的交變電壓,且內外層線圈的電流頻率相同,但幅值和匝數可以不一樣,具體數值須滿足渦流檢測線圈內的瞬時磁通˙Φ的代數和為0,即˙E=-d˙Φdt=0,則˙Ι=0.其中,˙E、˙Ι分別是渦流檢測線圈的感應電動勢和感應電流.當探頭靠近被測金屬時,被測金屬表面將產生渦流.此渦流也會使渦流檢測線圈中產生感應電動勢和感應電流,其大小是x的函數,故只要測出該感應電流,即可知道距離x.1.2外、數字激勵圈等效電阻當同軸三線圈探頭遠離被測金屬,即不處在金屬探測狀態時,忽略分布電容的影響,可得出探頭等效電路,如圖3所示.顯然,根據基爾霍夫定律有˙Ι1R1+jωL1˙Ι1-jωΜ12˙Ι2-jωΜ13˙Ι3=˙U1˙Ι2R2+jωL2˙Ι2-jωΜ12˙Ι1-jωΜ23˙Ι3=˙U2˙Ι3R3+jωL3˙Ι3-jωΜ13˙Ι1-jωΜ23˙Ι2=0}(1)式中:R1、R2、R3分別為外、內層激勵線圈電路等效電阻以及渦流檢測線圈等效電阻;L1、L2、L3分別為外、內層激勵線圈電路等效電感以及渦流檢測線圈等效電感;M12、M13、M23分別為內、外層線圈間互感,外層、渦流檢測線圈間互感和內層、渦流檢測線圈間互感;ω為內、外層線圈給定電壓的角頻率.又因為沒有探測金屬時渦流檢測線圈電流為0,即˙Ι3=0(2)將方程(2)代入方程組(1),可解得˙Ι1R1+jωL1˙Ι1-jωΜ12˙Ι2=˙U1˙Ι2R2+jωL2˙Ι2-jωΜ12˙Ι1=˙U2Μ13˙Ι1+Μ23˙Ι2=0}(3)進一步可解得˙U1˙U2=-R1Μ23Μ13+jω(L1Μ23Μ13+Μ12)R2+jω(L2+Μ12Μ23Μ13)(4)此即渦流檢測線圈電流為0的一個重要條件.另外,由式(3)可知,當˙Ι1˙Ι2=-Μ23Μ13(5)時,也能保證渦流檢測線圈感應電流為0.通過以上分析可知,渦流檢測線圈感應電流為0的條件為˙U1˙U2=-R1Μ23Μ13+jω(L1Μ23Μ13+Μ12)R2+jω(L2+Μ12Μ23Μ13)(6)或˙Ι1˙Ι2=-Μ23Μ13(7)當線圈繞制好并制成探頭后,L1、L2、L3、M12、M13、M23均為可計算的常數,此時可調整U˙1和U˙2或者Ι˙1和Ι˙2,使渦流檢測線圈感應電流為0.換句話說,在繞制線圈和通以激勵電信號時,必須滿足式(6)或(7)的條件.2計算渦流環的強度探頭制作好后,當檢測金屬時,系統等效電路變為如圖4所示.根據基爾霍夫定律:Ι˙1R1+jωL1Ι˙1-jωΜ12Ι˙2-jωΜ13Ι˙3-jωΜ14Ι˙4=U˙1Ι˙2R2+jωL2Ι˙2-jωΜ12Ι˙1-jωΜ23Ι˙3-jωΜ24Ι˙4=U˙2Ι˙3R3+jωL3Ι˙3-jωΜ13Ι˙1-jωΜ23Ι˙2-jωΜ34Ι˙4=0Ι˙4R4+jωL4Ι˙4-jωΜ14Ι˙1-jωΜ24Ι˙2-jωΜ34Ι˙3=0}(8)若要進行定量計算,則必須計算出L4、R4、M14、M24、M34的值.根據電渦流理論,盡管電渦流在軸向和徑向都不是均勻的,但可將它等價為一個渦流計算環,如圖5所示.圖中,渦流環的大小為a=0.501189r1(9)r6=1.133837r1(10)b=1ωμσ(11)式中:a為渦流環寬度;b為渦流環厚度;r6為渦流計算環中心半徑;r1為外層激勵線圈的外半徑;σ為金屬電導率;μ為磁導率;ω為激勵線圈的角頻率,其值與電渦流角頻率相同.由此,式(8)中各參數均可進行計算.另一方面,當線圈繞制好,并且線圈間的位置關系固定后,線圈的自感和互感可以通過實測得到,具體制作時,可先作理論計算,繞好后再實測修正,以滿足式(6)或(7)的條件.由此,根據式(8)～(11)可解出渦流檢測線圈上的電流,此電流也是渦流檢測線圈中的電流增量.3銅的電導率與環境條件普通電渦流傳感器的等效電路如圖6所示.由圖可見,傳感器線圈既是磁場激勵線圈,又是電渦流信號接收線圈.于是,可寫出下面方程組對這一關系進行描述.即Ι˙1R1+jωL1Ι˙1-jωΜ14Ι˙4=U˙1Ι˙4R4+jωL4Ι˙4-jωΜ14Ι˙1=0}(12)由式(12)可解出激勵接收線圈上電流的變化為ΔΙ˙1=U˙1R1+jωL1-U˙1R1+R4ω2Μ142R42+ω2L42+jω(L1-L4ω2Μ142R42+ω2L42)(13)本文假設如下數據:被測金屬為平面銅板,激勵線圈電信號頻率為50kHz,此時,銅的電導率σ=5.8×107S/m,磁導率μ≈μ0=4π×10-7H/m,所有線圈均采用單股銅漆包線螺旋繞制而成,單股芯線直徑?為0.2mm,導線電阻率ρ=0.01678μΩ·m,激勵電信號|U˙1|=1V,對于長距離渦流傳感器,3個線圈軸心重合放置,如圖7所示.線圈尺寸參數設定如表1所示.表中,“徑向寬度”是指線圈在半徑方向繞制線圈部分的寬度,如圖7中每種線圈中有剖面線部分的半徑方向寬度;高度是指線圈軸向長度.圖8所示為長距離渦流傳感器與普通渦流傳感器的比較.由圖可見,在檢測相同距離的金屬時,長距離渦流傳感器的渦流檢測線圈的電信號更強,即在相同條件下,它的靈敏度要高于普通渦流傳感器,檢測的距離也比普通渦流傳感器檢測的距離要遠得多.但是,當距離增加到一定值時,如圖中檢測距離達到200mm后,長距離渦流傳感器的電信號輸出基本維持恒定值,并不隨距離的改變而改變.然而,普通渦流傳感器的電信號輸出對距離的變化卻很敏感.這說明在較大距離測量時,長距離渦流傳感器不能檢測探頭離被測金屬的距離,而只能檢測出是否有金