电涡流测温传感器

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1、1湖湖 南南 科科 技技 大大 学学传传 感感 器器 课课 程程 设设 计计 题题 目目 _电涡流式温度传感器电涡流式温度传感器_姓姓 名名 _刘刘 博博_学学 院院 _机电工程学院机电工程学院_专专 业业 _测控技术与仪器测控技术与仪器_学学 号号 _0703030124_指导教师指导教师 _余以道余以道_杨书仪杨书仪_成成 绩绩 _2010 年 6 月 23 日2课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书A A ( (偏重传感器结构设计偏重传感器结构设计) )基本要求基本要求 1 1、工作在常温、常压、静态、环境良好；、工作在常温、常压、静态、环境良好； 2 2、精度：、精度：0.10.1F

2、SFS 3 3、分辨率：按参考文献上常用传感器类比；、分辨率：按参考文献上常用传感器类比； 4 4、测量范围：按参考文献上常用传感器类比；、测量范围：按参考文献上常用传感器类比； 5 5、传感器及其辅助结构设计、传感器及其辅助结构设计( (装配图装配图 1 1 张，零件图张，零件图 1 1 张）张） 6 6、电路设计（硬件电路及分析、电路设计（硬件电路及分析, ,电路图电路图 1 1 张）张） 7 7、可以不同班级的两人选同一题，但结构、测量范围、测量方式、可以不同班级的两人选同一题，但结构、测量范围、测量方式、测量电路等至少一项不同。测量电路等至少一项不同。3目 录一、传感器设计要求传感器设

3、计要求4二、基本原理基本原理4三、总体设计方案总体设计方案7四、传感器的结构设计四、传感器的结构设计8五、测控电路五、测控电路9六、精度误差分、精度误差分析析12七、参考文、参考文献献124一 传感器设计要求一种金属表面温度非接触测量方法。通过对传感器非接触在线测温原理的分析，提出给传感头施以稳定的低频激振信号，使其在测量时处于传感器的线性范围内(即恒灵敏区)，以消除传感器与被测金属体之间的间隙对温度的影响。相关实验结果表明，该方法能有效地克服零漂问题，且具有起始间隙大，线性范围大，分辨率高的特点。在温度的测量领域中，急需发展的是非接触测量技术。而在已有的非接触温度测量方法中，电涡流测温的方法

4、很少，原因是与电涡流多项参数都与温度有关，不易实现直接单一的对应关系，例如传感器与被测金属之间的间隙较难保证距离不发生变化，间距大的话则可能无法检测。还有对于非磁性材料来说，温度系数较小，灵敏度就不会高。因此，要求传感器与被测金属之间的间隙保持不变，测量温度系数大的磁性材料，且被测金属材料表面温度不是很高。二 基本原理金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体内转圈，这种现象称为涡流效应。如图根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2 又产生新的交变磁场 H

5、2。根据愣次定律， H2 的作用将反抗原磁场H1，由于磁场 H2 的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。电涡流原理图1I （b） 被测金属导体基本特性电涡流式传感器简化模型 电涡流传感器简化模型如上图所示。模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内：根据简化模型，可画出下图所示的等效电路图。图中 R2 为电涡流短路环等效电阻，其表达式为： 根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：式中： 线圈激磁电流角频率； R1、L1线圈电阻和电感； ia rrnhR 12 2ras1xhrari(r)23123022221121111 ILj

6、IRIMjUIMjILjIR &6L2短路环等效电感； R2短路环等效电阻； M互感系数。 上式解得等效阻抗 Z 的表达式为：式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻电涡流式传感器等效电路图由上可知， 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关， 还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率 f 有关，同时还与线圈与导体间的距离 x 有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关系式为：Z=F(,r,f,x) 式中, r 为线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗Z 就仅仅是

7、这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z 的eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ 22 222 222122 222 2221 11 &22 222 2221RLRMRReq 1U&L1L212R1R2M2I&1I&127变化量，即可实现对该参数的测量。利用材料电阻率 作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器；涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强。三 总体设计方案当线圈通有高频电流时将产生一高频交变磁场。当被测导体靠近检测线圈时在其表面将产生一交变电涡流，电涡流又产生另一交变磁场，其相位超前线圈磁场90。这种交链的结果使得线

8、圈的等效阻抗发生变化。由于影响电涡流的因素有：间隙的大小Tg、金属体的电导率和导磁率等，而金属体的电导率和导磁率又与金属体的温度有关。下面是去除间距对温度耦合的方法如果在测量过程中其它条件不变，则影响线圈阻抗的外部因素就只有间隙的大小x和金属体的温度(或电阻率) ，若能保持间隙的大小x不变，则测出线圈阻抗的变化量，就可知道金属体表面的温度。但在实际应用中，检测线圈与被测金属表面的起始间隙往往不是恒定不变的。起始间隙不恒定的原因是因为传感头的位置本身带有白色噪声。因此，为了减小间隙对测量温度的影响，消除静态传感器温漂的影响，给传感头施以一稳定的恒频率、恒振幅的低频振荡信号，使得传感头在测量过程中

9、处于机械振动状态之中，这样传感头低频激振信号将对传感器检测线圈的高频激励信号产生调制作用。 传感器检测线圈的高频激励信号为：Ua(t)=UaoCOS(Wot) (1)传感头低频激振信号： U(t)=U0COS(t) (2)式中，Uao、U0分别为Ua(t)和U(t)的振幅。从信号分析的角度来看，Ua(t)为载波信号， “U(t)为调制信号。载波被调制后，其振幅为 为: Uc(t)= Uao +k U0COS(t) (3)它随调制信号变化。其中k为比例常数，与具体调制电路有关。当然，传感头的位置噪音同样会对传感器检测线圈的高频激励信号产生调制作用，其频率分散，幅值较小，不同频率噪音各自的功率不尽

10、相同，但不同频率噪音的峰值叠加在一起将会给测量带来很大的误差，因此需要想办法把噪音的功率减至最小。相关实验资料显示，频率为300Hz，正好是机械振动的谐振频率，因此选择8传感头的机械振动频率也为300Hz，这样可以对调制信号进行中心频率为300Hz的窄带带宽滤波，以大大减小噪音给测量带来的影响。为了提高测量的灵敏度，可以尽量增大调幅系数以及载渡信号电压的幅度。这样，调制信号经高频检波、滤波后得到一个低频包络线即振动信号。图3为本文所研制的大线性、大起始间隙、高分辨率的传感器静态特性。图4为测振时的动态特性曲线。该传感头在测量时处于振幅为30m、频率为300Hz的机械振动状态。只要使得传感头在测

11、量时的位置总处于传感器的线性范围内，即恒灵敏区，就可以基本消除测量信号中间隙与温度之问的耦合关系，也就是把如上所述的Z=f(x，t)或Z=f(x，)关系式变成为Z=(t)或Z=()四 传感器的结构设计根据上面所阐述的的测量磁性金属表面温度的原理和方法可知，传感器的结构大体可有以下几个部分组成：使传感器头产生机械振动的振动装置，基本电涡流传感器，测量电路和传感器固定装置等。下面是传感器的零件图以及必要的说明9万万万万万万对于电涡流传感器的结构参数，主要是线圈参数，有品质因素 Q 和电感电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗 XL，单位是欧姆。它与电感量L 和交流电频率 f 的关系为 XL=2fL

12、 品质因素 Q 是表示线圈质量的一个物理量，Q 为感抗 XL 与其等效的电阻的比值，即：Q=XL/R 线圈的 Q 值愈高，回路的损耗愈小。线圈的 Q 值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，屏蔽罩或铁芯引起的损耗，高频趋肤效应的影响等因素有关。线圈的 Q 值通常为几十到几百10万万万万万数字万直接用来检测输出电压的变化的，在电路中传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成石英晶体振荡电路，石英晶体振荡器起恒流源的作用，所以测出电压的变化就能反映出线圈阻抗的变化了五 测控电路图5为加振电涡流传感器非接触测量的系统原理图框。其由高频激励晶体振荡器、低频激振信号源、阻抗变换器、高频检波器、低频窄带带宽滤波器、

13、精密交直流变换器、数字处理与显示等组成。其中，低频激振信号是施加给传感头的机械振动信号；射极跟随是为了使测量电路同后面电路隔离，以免测量回路受后面电路的影响。然后测量信号经过高频检波滤波、低频窄带带宽滤波，得到直接反应被测量的信号，但这个信号还是一个非直流信号，因此还需要经过交直流变换才可以获得所需要的标准测量信号，最后再通过数据转换即得到被测量的数值。实际上，直接使用数字万用表对标准测量信号进行电压测量就可以估计出被测量的大致数值。)(ZfiUoo11查资料这种相关实验显示非接触测温方法切实可行，且基本消除了传感器与被测金属体之间的间隙对温度测量的影响。而且这种方法不受橡胶层温度及厚度影响的

14、测量方法。磁场能不受影响地穿透非导体，因此采用电涡流技术进行温度测量是一种很好的测量方法。测量数据表明，这种测量方法在温度测量中效果良好。电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路 用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。 1. 调频式电路调频式电路2. 调幅式电路调幅式电路调频式电路(a) 测量电路框图； (b) 振荡电路 传感器线圈接入 LC 振荡回路，当传感器与被测导体距离 x 不变时，使被测金属温度改变，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是温度 t()的函数，即 f=L(t), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过 f-V 变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器电路如图所示。它由f-V C Lx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2fCLf) t (2112克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C 和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为 为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将 L、C 装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容 C2、C3 上，因而对振荡频率 f 的影响将大大减小。2. 调幅式电路调幅式电路由传感器线圈 L、电容器 C 和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图石英晶体振荡器起