CN104142431B - 涡流电导率测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡流电导率测量传感器。电涡流电导率测量传感器，包括：探头和信号处理电路，二者通过连接电缆(3)连接；所述探头包括：测量线圈(1a)，补偿线圈(1b)，手持隔热壳体，电磁屏蔽层，微动开关，压簧，温度传感器；所述信号处理电路包括：正弦激励单元，平衡滤波单元，前置放大单元，峰值保持单元，相敏检波单元，数字相位旋转单元，ARM单元。本发明所述的电涡流电导率测量传感器在0～50℃的范围内测量结果不受温度的影响，对提离效应有很好的抑制。

Description

涡流电导率测量传感器

技术领域：

本发明涉及一种有色金属电导率测量技术，进一步涉及涡流电导率测量传感器。

背景技术：

近年来，随着工业和电子产业的迅速发展，有色金属材料对于工业的发展十分重要。电导率是金属材料的一项重要物理参数，它与金属的组成成分、热处理状态、硬度以及温度等都密切相关。1873年，Maxwell总结出了电磁学方程组，以此方程组为理论基础，20世纪60年代，德国科学家用电涡流的方法成功测定了有色金属电导率。电涡流法与其他方法相比具有灵敏度高，容易耦合，响应快等优点。

目前，大多数涡流电导率测量使用单频正弦交流信号作为激励信号。单频阻抗测量法具有成本低，设计相对简单，探头灵敏度高等优点，但在采用阻抗法特别是单独使用幅值信息会使得测量仪器的信噪比难以被提高，而且提离效应、边缘效应也对测量结果有很大的影响。而传感器作为涡流电导率测量的关键组成部份，它的良好的设计是解决以上问题的根本途径，是从事涡流检测人员关心和研究的主要问题之一。在实际应用中，测量工业中使用较多的铝基材料和铜基材料时分辨率较低，容易造成误差。

因此，需要一种输出稳定、快捷、在一定范围内受提离效应影响小，分辨率高的传感器。

发明内容：

本发明的目的在于解决现有涡流电导率测量传感器分辨率低、受提离影响大的问题，提出一种高分辨率，具有温度补偿功能，且能在一定范围内能有效抑制提离效应的有色金属电导率测量传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

涡流电导率测量传感器，包括：测量探头1和信号处理电路；

所述测量探头包括：测量线圈1a，补偿线圈1b，测量线圈与补偿线圈参数完全相同，测量线圈和补偿线圈之间采用差分的方式连接，采用交流电桥结构输出；手持隔热壳体、电磁屏蔽层、微动开关、压簧、检测电路、温度传感器和连接电缆；测量线圈安置在手持隔热壳体的一端且测量面露出；压簧位于第一凸起11和第二凸起12之间；

所述信号处理电路包括：正弦激励单元，平衡滤波单元，前置放大单元，峰值保持单元，相敏检波单元，数字相位旋转单元，ARM单元。

作为优选方案之一，所述测量线圈和补偿线圈由漆包线绕制而成，外径为8mm，两线圈之间距离为2mm。

作为优选方案之二，所述电磁屏蔽层安放于手持隔热壳体内部，与手持隔热壳体连为一体。

作为优选方案之三，所述温度传感器位于测量探头外表面，在不受到操作员手臂温度影响的条件下及时得到测量时测量探头周围的温度，实时传入ARM单元中，对测量试件的电导率进行修正。

作为优选方案之四，所述微动开关置于补偿线圈之后，固定在壳体上。

作为优选方案之五，所述交流电桥包括两等值的电阻、两等值的电容。

作为优选方案之六，还包括：与上位机的信号输出接口，键盘接口。

工作过程包括如下步骤：

步骤一：传感器产生特定频率的正弦激励信号；

步骤二：测量线圈接触需检测试件，试件受到激励信号的作用产生涡流，涡流反作用于测量线圈，使得测量线圈阻抗发生变化，再通过交流电桥得到含有特定信息的电信号；

步骤三：分析交流电桥输出的电信号得到有色金属的电导率。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(一)采用电涡流检测原理，传感器体积较小，测量速度快，精度高。

(二)利用了交流电桥输出具有线性的特点，在出厂时进行一次硬件校准后，大大简化的用户的操作，而且传感器的灵敏度和测量精度一直保持较高的水平。

(三)传感器的测量探头部分设置有压簧、微动开关和电磁屏蔽层，每次测量中当微动开关按下时才会进行测量，一定程度上保证了测量探头的测量精度，减少了因操作人员的误操作而造成的测量错误。

(四)测量探头部分中还安装有温度传感器，及时采集被测试件周围温度，再进行相应的温度补偿，消除温度对于电导率测量的影响。

(五)在推荐的实施例中，通过信号输出接口，可以实现与上位机的通信，实现在线测量。整个装置结构简单、体积较小。

附图说明：

图1是本发明的测量线圈和补偿线圈结构示意图。图中，1a代表测量线圈，1b代表补偿线圈。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明实施例传感器所采用交流电桥结构示意图。

图4是本发明测量探头结构的剖面示意图。图中，1代表测量线圈和补偿线圈，2代表壳体，2a代表压簧，2b代表微动开关，2c代表温度传感器，2d代表手持隔热层，11代表第一凸起，12代表第二凸起。

图5是本发明实施例传感器电信号结构示意图。

图6为本发明传感器抑制提离效应所采用的阻抗变换法原理图。

具体实施方式：

本发明传感器结构框图如图1-图5所示，传感器包括：

测量探头1和信号处理电路，二者通过连接电缆连接；

所述测量探头包括：测量线圈1a，补偿线圈1b，测量线圈与补偿线圈参数完全相同，测量线圈和补偿线圈之间采用差分的方式连接，采用交流电桥结构输出；手持隔热壳体、电磁屏蔽层、微动开关、压簧、检测电路、温度传感器和连接电缆；

测量线圈安置在手持隔热壳体的一端且测量面露出；压簧位于第一凸起11和第二凸起12之间；

所述信号处理电路包括：正弦激励单元，平衡滤波单元，前置放大单元，峰值保持单元，相敏检波单元，数字相位旋转单元，ARM单元，信号输出接口，键盘接口。

所述测量线圈和补偿线圈由漆包线绕制而成，外径为8mm，两线圈之间距离为2mm；所述电磁屏蔽层安放于手持隔热壳体内部，与手持隔热壳体连为一体；所述温度传感器位于测量探头外表面，在不受到操作员手臂温度影响的条件下及时得到测量时测量探头周围的温度，实时传入ARM单元中，对测量试件的电导率进行修正；所述微动开关置于补偿线圈之后，固定在壳体上；所述交流电桥包括两等值的电阻、两等值的电容。

由正弦激励单元产生特定频率的交流激励信号，激励信号输入测量探头中。

压簧位于第一凸起和第二凸起之间，每次只有在微动开关按下时才会进行测量，一定程度上保证了测量探头的测量精度，减少了因操作人员的误操作而造成的测量错误。

交流测量电桥结构如图3所示，电容的加入可有效提高交流电桥的输出灵敏度。正弦交流激励信号由V1进入电桥，V2接地，信号由V3和V4进入前置差动运算放大器中。

测量时测量线圈上加载正弦交变信号，作用于被测试件使其产生涡流，产生的涡流反作用于测量线圈，使得测量线圈阻抗发生变化。阻抗中所包含的复数信息包含有被测试件的电导率信息且一一对应，测量线圈阻抗的变化通过交流电桥转换为电信号输出。

通过信号处理电路中的峰值保持单元和相敏检波单元得到信号的幅值信息和相位信息。利用阻抗变换的方法实现对于提离干扰信号的抑制，原理如图6所示，涡流电导率测量传感器随提离距离的增加在归一化阻抗平面上以近似直线的方式向空载线圈的阻抗点(0，1)变化。根据阻抗分析的原理，选取测量阻抗在提离直线垂直方向的分量，可以在一定范围内有效的抑制提离效应。图6中A为没有提离时测量线圈的归一化阻抗点，B为有一定提离后的测量线圈的归一化阻抗点。由于随提离距离的增加近似以直线方式移动，所以在一定范围内不论测量时提离距离为多大,其测得的测量线圈的归一化阻抗点都位于AP的近似直线上(如C)。从点O作AP的平行线OP’，然后分别从A、B、C点作OP’的垂线，得到的OA、OB、OC各不相等，但AA’＝BB’＝CC’。由上式可知，由于受到提离效应的影响，实际测量时测量线圈的阻抗值OA发生了变化，但通过适当的相位转换，提取信号AA’(或BB’、CC’)可以反映OA(或OB、OC)信号的大小。所以通过测得测量线圈阻抗变化的幅值和相位，计算得到阻抗在提离直线在垂直方向上的分量，便可实现对于提离效应的抑制。经过ARM单元处理后的幅值和相位信息再进行温度修正，之后由信号输出接口传入上位机。

传感器应用电涡流法对有色金属的电导率进行测量，检测结果不受温度的影响，对提离效应有一定的抑制作用。且传感器具有较强的抗干扰能力，灵敏度高，适用于有色金属材料电导率、电阻率值测量、未知有色金属进行识别和分类、生产期间热处理的验证和检测使用时的热损坏等领域。

Claims (4)

1.涡流电导率测量传感器，其特征在于，包括：测量探头和信号处理电路，二者通过连接电缆连接；

所述测量探头包括：测量线圈(1a)；补偿线圈(1b)；测量线圈与补偿线圈参数完全相同，测量线圈和补偿线圈之间采用差分的方式连接，采用交流电桥结构输出；手持隔热壳体；电磁屏蔽层；微动开关；压簧；温度传感器和连接电缆；测量线圈安置在手持隔热壳体的一端且测量面露出；压簧位于第一凸起(11)和第二凸起(12)之间；所述电磁屏蔽层安放于手持隔热壳体内部，与手持隔热壳体连为一体；所述温度传感器位于测量探头外表面；所述微动开关置于补偿线圈之后，固定在壳体上；所述交流电桥包括两等值的电阻、两等值的电容；

所述信号处理电路包括：正弦激励单元，平衡滤波单元，前置放大单元，峰值保持单元，相敏检波单元，数字相位旋转单元，ARM单元；所述正弦激励单元、测量探头、平衡滤波单元、前置放大单元依次串接；所述前置放大单元的输出端有2路，其中一路通过峰值保持单元与ARM单元相连，另一路通过依次串接相敏检波单元、数字相位旋转单元后然后与ARM单元相连。

2.根据权利要求1所述涡流电导率测量传感器，其特征在于：所述测量线圈和补偿线圈由漆包线绕制而成，外径为8mm，两线圈之间距离为2mm。

3.根据权利要求1所述涡流电导率测量传感器，其特征在于：所述温度传感器位于测量探头外表面，在不受到操作员手臂温度影响的条件下及时得到测量时测量探头周围的温度，实时传入ARM单元中，对测量试件的电导率进行修正。

4.根据权利要求1所述涡流电导率测量传感器，其特征在于，还包括：与上位机连接的信号输出接口，键盘接口。