消除材料敏感性的电涡流传感器测量电路.pdf

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1、１２１６化工自动化及仪表第４２卷消除材料敏感性的电涡流传感器测量电路郑敏田新启（东南大学火电机组振动国家工程研究中心，南京２１００９６）摘要被测材料的电磁特性会影响传感器的输出性能，限制其使用范围。为此，在分析阻抗投影变换原理的基础上，设计了一种能实现该原理的测量电路，用以消除传感器对被测材料的敏感性。矱１１ｍｍ传感器输出测试实验的结果表明：所用７种被测材料经线性补偿后的输出特性曲线近似重合，可用一条直线替代，实现了消除材料敏感性的功能；计算出的传感器材料敏感性误差为±１．８％。关键词电涡流传感器材料敏感性阻抗投影变换非线性补偿相敏检波中图分类号ＴＨ８２２文献标识码Ａ文章编号１０００-３９

2、３２（２０１５）１１-１２１６-０４电涡流传感器广泛应用于化工、电力及机械阻，投影到垂直面是等效感抗；θ是投影平面与横等行业，在静态或动态测量被测金属导体与探头轴的夹角。表面的相对位移时具有非接触、线性度高、分辨率［１］高及抗干扰能力强等优点。由于传感器的工作原理，使得被测体的材料特性对传感器输出具有很大影响，材料的电阻率、电导率和磁导率影响着传感器磁场的分布，进而影响激励线圈与被测导体间互感的变化和线圈的等效阻抗，导致传感器灵敏度波动。被测材料对传感器输出特性的影响，使其在应用时需要反复标定和校准，这成为限制其大范围使用的缺陷。针对上述传感器材料敏感性问题，采用阻抗［２］投影变换方法，设

3、计出能够消除材料敏感性的图１阻抗投影原理测量电路，并通过矱１１ｍｍ传感器测试实验验证测量电路消除材料敏感性的功能。Zi与Zp（Xi）的关系：①Zp（Xi）＝Zi×ｃｏｓ（θ－矱i）（１）1阻抗投影变换原理Zp（X与Zpi的关系：用具有不同电磁特性的被测材料研究线圈的i）π等效阻抗时发现，不同被测对象在相同的检测距Zp（Xi）＝Zpi×ｃｏｓ（θ－）（２）２离下，传感器线圈的等效电阻和等效电感存在近由式（１）、（２）可以得到：似线性关系。采用投影方法，将不同被测材料在Zi×ｃｏｓ（θ－矱）Zpi＝（３）相同检测距离下的线圈等效阻抗投影到等效投影πｃｏｓ（θ－）２面上，使这些不同的阻抗经投影后

4、具有一个相同通过投影的方法，同一检测距离下不同被测的值，从而消除传感器对被测材料的敏感性，其原材料形成的线圈阻抗可等效到一个相同的值，从理如图１所示。其中Zi为不同被测体在同一检测而消除材料的敏感性。距离下的阻抗向量；Xi为不同的检测距离；投影2测量电路设计平面p与直线Xi垂直；线圈阻抗Zi在向投影面上根据阻抗投影变换原理设计的测量电路结构投影时，与纵轴的交点为Zpi，投影为Zp（X。等效i）阻抗Zi的相位角为矱i，Zi投影到水平面是等效电①收稿日期：２０１５-０９-１３（修改稿）第１１期郑敏等．消除材料敏感性的电涡流传感器测量电路１２１７如图２所示，包括振荡器、放大电路、Ｖ-Ｉ转换电路、

5、移相器、相敏检波电路和非线性补偿电路。图３移相器电路2．4Ｖ-Ｉ转换电路Ｖ-Ｉ转换电路，即换流器，是将放大后的振荡器的输出电压Vｓ变换为电流源Iｓ，给探头线圈提供稳定的高频电流。为了使电压信号准确反映探图２基于阻抗投影变换原理的测量电路结构头线圈的阻抗信息，要求换流器的输出为恒流源。电路结构如图４所示，求得Iｓ＝Vｓ／R７，输出电流2．1振荡器源只决定于输出电压Vｓ和电阻R７，与负载阻抗无ＭＡＸ０３８集成芯片只需个别的外围元件就能关，实现了将输入电压转换为电流源的功能。产生从０．１Ｈｚ～２０ＭＨｚ的低失真正弦波、三角波［３］及矩形波等信号，具有精密、低失真、低温漂及外围元件少等特点。为减少

6、电路的分立元件，采用集成的信号发生芯片产生１ＭＨｚ的正弦波信号。其输出电压V０具有恒定幅值、相位和频率，经放大后同时供给换流器和移相器。2．2放大电路由于ＭＡＸ０３８输出信号的幅值为２Ｖ，不利于图４Ｖ-Ｉ转换电路后续电路的工作，而且会使相敏检波电路的输出2．5相敏检波电路电压过小而影响电路输出信号的进一步处理。为相敏检波电路是实现阻抗投影变换的关键电了调节正弦波信号的幅值，使其在合适的范围，采路。当输入信号和参考信号同频率时，检波电路用具有更高输入阻抗和较低输出阻抗的同相比例的输出随两信号相位差的余弦而变化。相敏检波［４］放大电路进行放大，其放大倍数小于６。电路由乘法器和低通滤波电路组成，

7、其原理如2．3移相器图５所示。移相器的作用是将放大的正弦波信号移动相应的角度，并要超前于激励信号。电路中移相器的输入为前级振荡电路产生的正弦波经放大后的信号Vｓ，输出为要得到的投影参考信号Vｒ。移相图５相敏检波电路原理器设计电路如图３所示，当R１＝R２时，｜Vｓ｜＝｜Vｒ｜、相频θ＝π－２ａｒｃｔａｎ（ωR３C１）。在信号频率设探头信号：Vｍ（t）＝Vｍｃｏｓ（ωt＋矱ｍ）（４）一定时，只需合理选取R３和C１的值，即可得