电涡流传感器信号处理电路设计文献综述

 2022-10-23 10:15:25
  1. 文献综述(或调研报告):

电涡流形成的基本原理,激励线圈通以高频电流时,其周围产生一交变磁场4,当被测导体进人交变磁场靠近线圈时,导体表面发生肌肤效应并产生电涡流k根据互感原理,该电涡流会对原磁场产生干扰,导致测量线圈的等效阻抗Z发生变化。其中,线圈阻抗Z是关于金属导体电阻率rho;、磁导率mu;、纵向距离x、横向位置y、线圈尺寸gamma;、激励电流强度I、角频率omega;的函数。即Z=F(rho;、mu;、x、y、gamma;、I、omega;),当其它参数固定,只变化x时,测量线圈的等效阻抗只与线圈到被测物之间的距离有关,经过线性化处理后,等效阻抗Z的变化就能很好的反映出测量距离x的变化,达到电涡流传感器测量位移的目的[1]。

在电涡流传感器测量过程中,被测金属导体的磁导率 mu; 、电导率sigma; 、尺寸因子 r 介对测量也有影响,因此除了探头、前置器、延伸电缆决定传感器系统的性能外,被测体的性能参数也对整个传感器系统的性能产生影响,如被测体表面的直径大小对测量有影响。一般地,为使测量更准确,当被测体表面为平面时,被测面应为探头头部直径的 1.5 倍以上为宜;当被测体为圆轴时,被测轴径应为探头头部直径的 3 倍以上为宜。被测体的厚度对测量结果也会产生影响。因此如果被测体厚度不够使传感器的灵敏度就会下降,通常钢等导磁厚度大于 0.1 mm 以上,铜、铝等弱导磁材料厚度大于 0.6 mm 以上的则不会影响测量的灵敏度[2]。

在振动测量中不规则被测体表面会给实际的测量值造成误差,这些不规则被测体表面包括表面存在洞眼、刻痕等缺陷。如果被测面表面粗糙度较高,可以现对被测面进行衍磨或抛光后再测量,这样准确度就会明显提高(一般表面粗糙度 Ra 不超过 0.8~1.6 mu;m)。[1]

在探头直径为 50 mm 时,电涡流传感器的线性度在 2~29.5 mm 之间,在 29.5~35 mm 和0~2 mm 中存在一定的非线性误差,如果在上位机软件中采用线性校正可以进一步提高测量范围[2]。

对谐振测量电路的参数优化选择而言。工作频率选择的方法是: 根据电路谐振的公式 f = 1 /2pi;LC 以及估算出来的 L 值,计算出频率分别为 500 k Hz、600 k Hz、700 kHz、800 kHz、900 kHz、1 MHz时电容 C 的值,由计算出的电容值选用标称电容 C1~C6,然后对应于每一个电容值调节工作频率使电路谐振从而确定工作频率[3]。

电阻值R的选择,R = Lomega; / | lambda; | ,此时 R 为最佳分压值,即此时灵敏度最大[3]。

在前置放大器的设计过程中,首先,进行放大器噪声分析并找出主要噪声源,根据主要噪声源是宽带噪声这一特点,引入带通滤波网络用窄带方式抑制宽带噪声; 其次,放大器采用直流深度负反馈方式来抑制增益漂移,构建了抗干扰 SISO 系统组成超级伺服电路,从而抑制直流电平漂移; 最后,对设计方案通过理论分析、仿真及电路试验等技术方法进行验证。结果表明,相比现用的一些设计方案,此前置放大器输出信号具有高信噪比,能将有用的微弱信号从噪声中分离出来,放大后信号电平足以进行后续的信号处理和显示,并满足信号电平分辨率在 1mu;m 以下的要求[4]。

励磁信号源的设计上,将频率为 1 MHz,幅值 13 V 的正弦激励信号,应用于磁悬浮轴承的电涡流位移传感器测量电路,在 0 ~100mu;m量程范围内获得的位移检测灵敏度达到了15 m V /mu;m,且能使磁悬浮轴承稳定工作,满足了位移检测的要求[5]。

[1] 曹现刚, 史春蕾. 基于PSoC的定频调幅式电涡传感器的设计[J].仪表技术与传感器,2015(9):14-16

[2] 张尚坤.新型位移涡流传感器设计[J].现代电子技术,2013,36(8):140-142

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