CN104729396A - 一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿方法及传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度在线测量的电涡流位移传感器温度补偿的方法及传感装置，其基于未经温度补偿前高温电涡流位移传感器的输入-输出特性，根据温度传感器测量到的电涡流传感器环境温度的大小，通过前置器中的温漂灵敏度自动校正电路自动地调整传感器在整个线性工作范围内的灵敏度，对传感器在不同温度下内的灵敏度进行补偿，从而减小传感器环境温度的对传感器灵敏度的影响；通过前置器中的温漂偏置自动校正电路来自动地输出一个电压信号对电涡流位移传感器在线性工作范围内任一参考点的温漂进行补偿，从而实现电涡流位移传感器在参考点的输出不受传感器环境温度的影响。

Description

一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿方法及传感装置

技术领域

本发明属于电涡流位移测量技术领域，具体涉及一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿方法及传感装置。

背景技术

电涡流位移传感器由于具有非接触、测量范围大、灵敏度高、结构简单、不受非金属材料影响等众多优点，在检测领域得到了广泛的应用。电涡流位移传感器通过探头线圈与被测材料间的电磁耦合，将探头线圈与被测材料间的位移信号转变为电信号进行输出。一般由探头、高频电缆和前置器组成，也可以把这三部分集成在探头的壳体内形成一体化的结构。

普通的电涡流位移传感器的探头是由一个扁平的线圈和固定线圈的非金属骨架组成。由于线圈和骨架通常采用普通的材料，如果传感器探头的环境温度变化不大，传感器的输出受温度的影响就比较小，传感器的输出能够准确地反映被测位移的大小。普通电涡流传感器所能够工作的最高温度一般都在180℃以下，不同产品，其最高工作温度存在一定的差异。当传感器的环境温度超出传感器的正常工作温度后，传感器探头的材料不仅不能够承受高温的作用，而且高温环境会使传感器的电阻、电感以及几何尺寸发生明显的变化，电涡流位移传感器的输出不能够准确地反映被测位移的大小。

温度对传感器输出的影响，一般称之为温漂；为了减小电涡流位移传感器的温漂，提高传感器的温度工作范围，目前采用的方法主要有三种：其一是在传感器的头部采用一些技术措施来减小环境温度对传感器电气参数的影响，如用多股辫线或用低温度系数的导线绕制线圈；其二是对传感器的线圈进行补偿减小环境温度对线圈输出特性的影响，如采用无感补偿线圈、具有温漂抑制功能的新型探头、用负温度系数电阻对线圈温度进行补偿等；其三是在前置器中引入补偿校正电路。第一种方法的效果有限，第二种方法虽然能够取得较好的效果但结构复杂实现起来比较困难，第三种方法虽然能够取得较好效果，但目前所提出的技术方案并不多。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿方法及传感装置，能够抑制环境温度对高温电涡流位移传感器输出特性的影响。

一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿方法，根据不同环境温度条件下高温电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线，通过检测高温电涡流位移传感器的环境温度，进而根据传感器的环境温度对传感器在线性工作范围内的灵敏度以及在线性工作范围内任一参考点处的温漂偏置进行综合补偿，使得高温电涡流位移传感器在线性工作范围内的输出不受环境温度的影响。

所述的高温电涡流传感器温度补偿方法的具体实现过程如下：

首先，在不同环境温度条件下，测量高温电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线，进而确定出不同环境温度下高温电涡流位移传感器在线性工作范围内的灵敏度(即位移-电压特性曲线在线性工作范围内的斜率)以及在线性工作范围内任一参考点处的温漂偏置量(即同一参考位移条件下不同温度时的输出)；

然后，根据不同环境温度与高温电涡流位移传感器灵敏度的对应关系，对当前环境温度状态下传感器在线性工作范围内的位移-电压特性曲线进行灵敏度补偿；根据不同环境温度与高温电涡流位移传感器线性工作范围内参考点处温漂偏置量的对应关系，对当前环境温度状态下传感器的位移-电压特性曲线进行偏置补偿；

最后，使传感器经灵敏度补偿后输出的电压信号与经偏置补偿后输出的电压信号相叠加，叠加后的信号即为当前被测导体不受传感器环境温度影响的位移信息。

一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感装置，包括高温电涡流位移传感器、温度传感器和前置器；其中：

所述的高温电涡流位移传感器与前置器相连，其用于在前置器的高频激励作用下产生高频磁场，通过感应被测导体中电涡流所产生的交变磁场对自身内部线圈的作用，以向前置器输出包含被测导体位移信息的阻抗信号；

所述的温度传感器与前置器相连，其用于检测高温电涡流位移传感器的环境温度以向前置器输出温度信号；

所述的前置器用于将高温电涡流位移传感器的阻抗信号转换为包含位移信息的电压信号，同时利用温度信号对所述的电压信号分别进行灵敏度自动校正和偏置自动校正，使灵敏度校正后的电压信号与偏置校正后的电压信号相叠加，进而对叠加后的信号进行电压转换后输出。

优选地，所述的温度传感器设置于高温电涡流位移传感器内部，高温电涡流位移传感器和温度传感器通过高温同轴电缆与前置器连接；这样可以使高温电涡流位移传感器和温度传感器安装在一起，结构紧凑，减少装置体积。

所述的高温电涡流位移传感器包括高温线圈、传感器骨架、固定套和保护套；其中，所述的传感器骨架安装于固定套的内孔中，所述的高温线圈绕制于传感器骨架露出固定套的一端，传感器骨架露出固定套的部分通过保护套包裹，高温线圈与保护套之间以及传感器骨架与固定套之间均采用高温胶粘合固定。

所述的传感器骨架为轴状且轴向开有通孔，所述的高温同轴电缆以传感器骨架为轴，所述的温度传感器设于传感器骨架的通孔中且通过高温同轴电缆从通孔引出与前置器连接。

所述的前置器包括高频振荡电路、阻抗变换及检测电路、灵敏度自动校正电路、温漂偏置自动校正电路、加法电路和输出转换电路；其中：

所述的高频振荡电路与高温电涡流位移传感器相连，其用于为高温电涡流位移传感器施加激励电流；

所述的阻抗变换及检测电路与高温电涡流位移传感器相连，其用于将高温电涡流位移传感器输出的阻抗信号转换为包含位移信息的电压信号；

所述的灵敏度自动校正电路与温度传感器和阻抗变换及检测电路相连，其用于利用温度信号对电压信号进行灵敏度自动校正；

所述的温漂偏置自动校正电路与温度传感器和阻抗变换及检测电路相连，其用于利用温度信号对电压信号进行偏置自动校正；

所述的加法电路灵敏度自动校正电路和温漂偏置自动校正电路相连，其用于使灵敏度补偿后的电压信号与偏置补偿后的电压信号相叠加；

所述的输出转换电路与加法电路相连，其用于对叠加后的信号进行电压转换后输出。

所述的温度传感器可采用温敏电阻。

本发明基于温度在线测量，通过前置器中的温度漂移灵敏度自动校正电路和温度漂移偏置自动校正电路对高温电涡流位移传感器在整个线性工作范围内的灵敏度和在线性工作范围内任一参考点的温漂偏移进行补偿的方法，解决了电涡流位移传感器在高温环境中出现的温漂问题，从而使电涡流位移传感器能够在高温环境中得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明高温电涡流位移传感装置的结构示意图。

图2为本发明具有温度补偿功能的前置器的内部结构示意图。

图3为本发明基于热敏电阻温度测量系统的温漂灵敏度自动校正电路的结构示意图。

图4为本发明基于热敏电阻温度测量系统的温漂偏置自动校正电路的结构示意图。

图5为不同环境温度下未经温度补偿的电涡流位移传感器在线性工作范围内的输入-输出特性曲线示意图。

图6为不同环境温度下经温度补偿后的电涡流位移传感器在线性工作范围内的输入-输出特性曲线示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明能够在高温环境下工作的电涡流位移传感装置，包括高温电涡流位移传感器1、高温温度传感器2、高温同轴电缆3、具有对温度进行自动补偿功能的前置器4。

本实施方式中，高温电涡流位移传感器1和高温温度传感器2集成在一体的结构，高温电涡流位移传感器1包括高温扁平线圈5、高温探头保护套6、高温非金属传感器骨架7、传感器固定套8、位移传感器接头9和传热孔11。高温扁平线圈5位于高温非金属传感器骨架7的前端，高温扁平线圈5用高温探头保护套6进行保护，并用高温胶固定，高温非金属传感器骨架7安装在传感器固定套8的孔内并用高温胶固定，高温扁平线圈5通过高温同轴电缆3引出，高温同轴电缆3的外部电缆接位移传感器接头9。

高温温度传感器2位于高温非金属传感器骨架7的内部，并用高温胶进行固定，高温温度传感器2通过高温同轴电缆3引出，高温同轴电缆3的内部电缆接温度传感器接头10；在高温温度传感器2附近的轴向或径向开有传热孔11，使高温温度传感器2能够迅速获得位移传感器的环境温度。本实施方式中，高温温度传感器2的传热孔11为在高温非金属传感器骨架7中部的径向孔，其径向孔的大小和个数在保证高温非金属传感器骨架7的强度满足要求的条件下可任意选择。

本发明电涡流位移传感装置的最高工作温度由高温温度传感器2、高温同轴电缆3、高温扁平线圈5、高温探头保护套6、高温非金属传感器骨架7、传感器固定套8等材料的最高工作温度决定，所以需要按照电涡流位移传感器的最高工作温度来选择高温温度传感器2、高温同轴电缆3、高温扁平线圈5、高温探头保护套6、高温非金属传感器骨架7及传感器固定套8的材料。

如图2所示，本发明装置中能够对高温电涡流位移传感器的温漂进行自动补偿功能的前置器，包括高频振荡电路、阻抗变换及检测电路、温漂灵敏度自动校正电路、温漂偏置自动校正电路、输出转换电路、温度测量电路和加法电路。高温电涡流位移传感器1通过位移传感器接头9与高频振荡电路及前置器中的阻抗变换及检测电路相连；高温温度传感器2通过温度传感器接头10与前置器中的温度测量电路相连，然后又分别与温漂灵敏度自动校正电路及温漂偏置自动校正电路相连，然后通过对温漂灵敏度自动校正电路及温漂偏置自动校正电路的输出信号通过加法电路相加，最后再经过输出转换电路转化为所需要的电压范围。

高温电涡流位移传感器前端的高温扁平线圈5在高频振荡电路的激励作用下，在扁平线圈5周围产生一个高频磁场，位于高温扁平线圈5附近的被测导体内部就会形成电涡流，被测导体中的电涡流所产生的交变磁场使传感器线圈中的等效阻抗等参数发生变化。电涡流传感器线圈的阻抗不仅与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，而且还与高温扁平线圈5的几何参数、高频振荡电路的频率及高温扁平线圈5被测导体间的距离有关。如果只有高温扁平线圈5与被测导体间的距离发生变化而其他参数保持不变，那么高温扁平线圈5中的等效阻抗就成为高温扁平线圈5与被测导体之间距离的单值函数，且在一定的范围内具有线性关系。那么在线性范围内，用阻抗变换及检测电路就可以把高温扁平线圈5与被测导体间的距离变化转化为电压的变化，最后经过输出转换电路转化为所需要的电压范围。

但是在电涡流位移传感器的环境温度发生较大变化时，电涡流位移传感器材料的电阻率、磁导率以及传感器探头的几何形状都会发生变化，导致不同温度下传感器的输出不仅与扁平线圈5与被测导体之间的距离有关，而且还与电涡流位移传感器的环境温度有关。不同温度下，电涡流位移传感器在其线性工作范围内的输出会发生明显的变化。虽然不同温度条件下电涡流位移传感器的输入-输出特性在其线性工作范围内仍然保持了良好的线性关系，但温度不仅影响了电涡流位移传感器的偏置电压，也会影响到电涡流位移传感器的灵敏度。因此，只有通过对不同温度下电涡流位移传感器在线性工作范围内的灵敏度和对线性工作范围内任一参考点处的偏置电压(称之为温漂偏置)进行综合补偿，才能够减小环境温度对电涡流位移传感器输出特性的影响。

在电涡流位移传感器的环境温度发生变化时，首先利用高温温度传感器2测量出高温电涡流位移传感器1的环境温度，再利用阻抗变换及检测电路把扁平线圈5与被测导体之间的距离变化转化为电压的变化，但该电压中含有温漂因素的影响。其次根据高温温度传感器2测量得到的高温电涡流位移传感器1的环境温度，通过前置器中的温漂灵敏度自动校正电路来自动地调整电涡流位移传感器在线性工作范围内的灵敏度；再通过前置器中的温漂偏置自动校正电路来自动地调整传感器线性工作范围内任一参考点处的温漂偏置；将经过温漂灵敏度自动校正电路的电压信号与温漂偏置自动校正电路的电压信号分别作为加法器电路的两个输入端，实现对两个信号的加法运算，以实现对温漂偏置电压的补偿。这样通过对不同温度下电涡流位移传感器的灵敏度和对线性工作范围内任一参考点处的偏置电压进行综合补偿，实现传感器在整个线性工作范围内的输出不受传感器环境温度的影响。最后，再经过输出转换电路转化为所需要的电压范围。

如图3所示，基于热敏电阻温度测量系统的电涡流位移传感器前置器中的温漂灵敏度自动校正电路，包括热敏电阻R_A和为了传感器灵敏度调整的补偿电阻R₁及R₂。将阻抗变换及检测电路的输出信号作为温漂灵敏度自动校正电路的输入信号。图3所示的温漂灵敏度自动校正电路的灵敏度(即电路的输出与输入之比，也称为放大倍数)α为：

α＝2·R_A/(R₂+R_A)    (1)

图3所示的基于热敏电阻温度测量系统的电涡流位移传感器前置器中的温漂灵敏度自动校正电路本质上是一个比例放大电路，不过其电路的灵敏度随热敏电阻R_A发生变化，进而可自动地调整输出信号对于输入信号的“灵敏度”。由于热敏电阻R_A与高温电涡流位移传感器1处在相同的温度环境中，当高温电涡流位移传感器1的环境温度变化时，热敏电阻R_A的电阻R_A也随环境温度线性变化，温漂偏置自动校正电路的灵敏度α也随之变化。当高温电涡流位移传感器1的环境温度升高时，热敏电阻R_A阻值增大，温漂灵敏度自动校正电路的灵敏度α增大，反之R_A阻值降低，α减少。

R₂的大小需要利用未进行温度补偿前电涡流位移传感器的灵敏度随环境温度的变化特性以及热敏电阻R_A的参数进行优化选择，使在不同温度下的温漂灵敏度自动校正电路的灵敏度α与常温下的灵敏度与对应温度下的灵敏度的比值乘积近似恒定。电阻R₁的选择应尽量接近于常温下R₂与R_A并联阻值的2倍，这样可以保证温漂灵敏度自动校正电路正负端的阻抗平衡。

如图4所示，基于热敏电阻温度测量系统的电涡流位移传感器前置器中的温漂偏置自动校正电路，包括热敏电阻R_A和为了传感器温漂偏置调整的补偿电阻R₃。图4中温漂偏置自动校正电路的输出电压U_T为：

U_T＝15·R_A/(R₃+R_A)    (2)

因此，当高温电涡流位移传感器1的环境温度升高时，热敏电阻R_A的阻值变大，温漂偏置自动校正电路输出的温控电压U_T也就随之增大。

温漂偏置自动校正电路中的补偿电阻R₃的大小需要根据未进行温度补偿前电涡流位移传感器在线性工作范围内任一参考位置处的输出电压对温度变化的测量数据以及热敏电阻R₃的参数进行优化选择，使温控电压信号在不同温度下的输出电压变化量近似等于高温电涡流位移传感器在线性工作范围内任一参考位置处偏置电压的变化量。温漂偏置自动校正电路的输出信号为随温度自动变化的直流电压。

本发明基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿的方法的主要步骤为：

步骤1：首先分别在不同环境温度条件下，测量未进行温度补偿前电涡流位移传感器在线性工作范围内的输入-输出特性，如图5所示。

步骤2：然后利用不同环境温度条件下测量得到的电涡流位移传感器在线性工作范围内的输入-输出特性曲线，确定不同温度下电涡流位移传感器在线性工作范围内的灵敏度，以及电涡流位移传感器在线性工作范围内任一参考点在不同温度下的温度漂移量的大小。参考点可以选择在电涡流位移传感器线性工作范围内的任意一点。为了最大程度地减小传感器的环境温度对传感器输出特性的影响，参考点一般可以选择在电涡流位移传感器的理想安装位置，也就是在线性工作范围的中心位置。

步骤3：根据步骤2得到的不同温度条件下电涡流位移传感器在线性工作范围内的灵敏度变化的数据，确定前置器中温漂灵敏度自动校正电路中电阻R₂的大小，使不同温度下温漂灵敏度自动校正电路的灵敏度与常温下的灵敏度与对应温度下的灵敏度的比值乘积近似恒定。电阻R₁的选择应尽量接近于常温下R₂与R_A并联阻值的2倍，以保证温漂灵敏度自动校正电路正负端的输入阻抗平衡。

步骤4：根据步骤2得到的不同温度条件下高温电涡流位移传感器在线性工作范围内任一参考点的温度漂移量的大小，确定前置器中温漂偏置自动校正电路中电阻R₃的大小，使温漂偏置自动校正电路在不同温度下的输出电压变化量近似等于温度漂移电压的变化量。

步骤5：根据确定出的前置器中温漂灵敏度自动校正电路和温漂偏置自动校正电路中的相关参数，完成温漂灵敏度自动校正电路和温漂偏置自动校正电路的设计、并与电涡流位移传感器的阻抗变换及检测电路、输出转换电路集成，完成高温电涡流位移传感器的前置器。

经过采用上述温漂灵敏度自动校正和温漂偏置自动校正补偿技术，最后得到的不同温度下电涡流位移传感器输出电压与测量位移之间的关系如图6所示。可见，经过综合校正补偿后的电涡流位移传感器输出电压与测量位移之间的关系受温度的影响明显降低。在20～500℃的范围内，一般可以把温度对电涡流位移传感器输出的影响控制在3％以内。

本发明的用于高温环境的电涡流位移传感器的结构及温度补偿方法原理清楚、结构简单、可大大提高电涡流位移传感器的温度稳定性。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感器温度补偿方法，其特征在于：根据不同环境温度条件下高温电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线，通过检测高温电涡流位移传感器的环境温度，进而根据传感器的环境温度对传感器在线性工作范围内的灵敏度以及在线性工作范围内任一参考点处的温漂偏置进行综合补偿，使得高温电涡流位移传感器在线性工作范围内的输出不受环境温度的影响。

2.根据权利要求1所述的高温电涡流位移传感器温度补偿方法，其特征在于：所述的高温电涡流传感器温度补偿方法的具体实现过程如下：

首先，在不同环境温度条件下，测量高温电涡流位移传感器的位移-电压特性曲线，进而确定出不同环境温度下高温电涡流位移传感器在线性工作范围内的灵敏度以及在线性工作范围内任一参考点处的温漂偏置量；

然后，根据不同环境温度与高温电涡流位移传感器灵敏度的对应关系，对当前环境温度状态下传感器在线性工作范围内的位移-电压特性曲线进行灵敏度补偿；根据不同环境温度与高温电涡流位移传感器线性工作范围内任一参考点处温漂偏置量的对应关系，对当前环境温度状态下传感器的位移-电压特性曲线进行偏置补偿；

最后，使传感器经灵敏度补偿后输出的电压信号与经偏置补偿后输出的电压信号相叠加，叠加后的信号即为当前被测导体不受传感器环境温度影响的位移信息。

3.一种基于温度在线测量的高温电涡流位移传感装置，其特征在于，包括高温电涡流位移传感器、温度传感器和前置器；其中：

所述的高温电涡流位移传感器与前置器相连，其用于在前置器的高频激励作用下产生高频磁场，通过感应被测导体中电涡流所产生的交变磁场对自身内部线圈的作用，以向前置器输出包含被测导体位移信息的阻抗信号；

所述的温度传感器与前置器相连，其用于检测高温电涡流位移传感器的环境温度以向前置器输出温度信号；

所述的前置器用于将高温电涡流位移传感器的阻抗信号转换为包含位移信 息的电压信号，同时利用温度信号对所述的电压信号分别进行灵敏度自动校正和偏置自动校正，使灵敏度校正后的电压信号与偏置校正后的电压信号相叠加，进而对叠加后的信号进行电压转换后输出。

4.根据权利要求3所述的高温电涡流位移传感装置，其特征在于：所述的温度传感器设置于高温电涡流位移传感器内部，高温电涡流位移传感器和温度传感器通过高温同轴电缆与前置器连接。

5.根据权利要求3或4所述的高温电涡流位移传感装置，其特征在于：所述的高温电涡流位移传感器包括高温线圈、传感器骨架、固定套和保护套；其中，所述的传感器骨架安装于固定套的内孔中，所述的高温线圈绕制于传感器骨架露出固定套的一端，传感器骨架露出固定套的部分通过保护套包裹，高温线圈与保护套之间以及传感器骨架与固定套之间均采用高温胶粘合固定。

6.根据权利要求5所述的高温电涡流位移传感装置，其特征在于：所述的传感器骨架为轴状且轴向开有通孔，所述的高温同轴电缆以传感器骨架为轴，所述的温度传感器设于传感器骨架的通孔中且通过高温同轴电缆从通孔引出与前置器连接。

7.根据权利要求3所述的高温电涡流位移传感装置，其特征在于：所述的前置器包括高频振荡电路、阻抗变换及检测电路、灵敏度自动校正电路、温漂偏置自动校正电路、加法电路和输出转换电路；其中：

所述的高频振荡电路与高温电涡流位移传感器相连，其用于为高温电涡流位移传感器施加激励电流；

所述的阻抗变换及检测电路与高温电涡流位移传感器相连，其用于将高温电涡流位移传感器输出的阻抗信号转换为包含位移信息的电压信号；

所述的灵敏度自动校正电路与温度传感器和阻抗变换及检测电路相连，其用于利用温度信号对电压信号进行灵敏度自动校正；

所述的温漂偏置自动校正电路与温度传感器和阻抗变换及检测电路相连，其用于利用温度信号对电压信号进行偏置自动校正；

所述的加法电路灵敏度自动校正电路和温漂偏置自动校正电路相连，其用于使灵敏度补偿后的电压信号与偏置补偿后的电压信号相叠加；

所述的输出转换电路与加法电路相连，其用于对叠加后的信号进行电压转 换后输出。

8.根据权利要求7所述的高温电涡流位移传感装置，其特征在于：所述的温度传感器采用温敏电阻。