CN105806202A - 一种电涡流传感器的探头及电涡流传感器 - Google Patents

一种电涡流传感器的探头及电涡流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电涡流传感器的探头及电涡流传感器。所述电涡流传感器的探头包括检测线圈、温度补偿线圈和隔磁板；所述隔磁板设置于所述检测线圈和所述温度补偿线圈之间，且分别与所述检测线圈及所述温度补偿线圈平行。本发明解决目前电涡流传感器以增大探头为代价来提高温度补偿精度的问题，实现保证补偿精度的基础上减小探头尺寸，达到确保检测位移灵敏度以及减小探头尺寸的效果。

Description

一种电涡流传感器的探头及电涡流传感器
技术领域
本发明实施例涉及测距设备，尤其涉及一种电涡流传感器的探头及电涡流传感器。
背景技术
电涡流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。
市场上常规的电涡流传感器应用温度范围仅在0-90℃以内，不能满足一些高温场合的非接触式测量要求。目前为解决上述问题采用的温度补偿方式包括在电涡流传感器的探头内增加一个温度补偿线圈，作为检测线圈的基准，随着温度的变化两个线圈差值没有改变，因此可以有效的进行温度补偿，由于引入温度补偿线圈作为检测线圈的补偿基准，该温度补偿线圈也会产生一个电磁场，该磁场会影响检测线圈中的磁场，造成传感器的探头检测位移灵敏度与线性范围均有所减少，如检测线圈与温度补偿线圈相距一定距离后，能够减少两个线圈的相互影响，但是两个线圈距离较大后传感器探头长度会较长，不利于小空间处的位移检测。还比如，在涡流位移传感器的温度补偿是在前置器中进行算法补偿，该方法补偿精度较低。
发明内容
本发明提供一种电涡流传感器的探头及电涡流传感器，以实现保证补偿精度的基础上减小探头尺寸，达到确保检测位移灵敏度以及减小探头尺寸的效果。
第一方面，本发明实施例提供了一种电涡流传感器的探头，包括检测线圈、温度补偿线圈和隔磁板；
所述隔磁板设置于所述检测线圈和所述温度补偿线圈之间，且分别与所述检测线圈及所述温度补偿线圈平行。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电涡流传感器，包括前置器和延伸电缆，还包括上述第一方面的探头；
所述检测线圈的线圈引出线通过延伸电缆与所述前置器电连接；
所述温度补偿线圈的线圈引出线通过延伸电缆与所述前置器电连接；
所述前置器，用于接收所述检测线圈的检测信号和所述温度补偿线圈的补偿信号，对所述检测信号和所述补偿信号进行差分运算，以消除所述检测线圈的温漂。
本发明通过在检测线圈和温度补偿线圈之间设置隔磁板，且隔磁板分别与所述检测线圈及所述温度补偿线圈平行，实现减小温度补偿线圈对检测线圈的涡流场影响，进而为减小电涡流传感器的探头的体积提供技术基础。本发明解决目前电涡流传感器以增大探头为代价来提高温度补偿精度的问题，实现保证补偿精度的基础上减小探头尺寸，达到确保检测位移灵敏度以及减小探头尺寸的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种电涡流传感器的探头中线圈位置示意图；
图2是本发明实施例二中的一种电涡流传感器的探头中线圈位置截面图；
图3是本发明实施例三中的另一种电涡流传感器的探头中线圈位置截面图；
图4是本发明实施例四中的一种电涡流传感器的结构框图；
图5是本发明实施例五中的一种电涡流传感器中前置器的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种电涡流传感器的探头中线圈位置示意图，本实施例可适用于保证检测精度的基础上减小探头尺寸的情况，具体包括：检测线圈1、温度补偿线圈2和隔磁板3；所述隔磁板3设置于所述检测线圈1和所述温度补偿线圈2之间，且分别与所述检测线圈1及所述温度补偿线圈2平行。
根据法拉第电磁感应定律，当探头中的检测线圈1通以正弦交变电流i1时，检测线圈1周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并起削弱H1的磁场强度的作用，从而导致检测线圈1的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的距离x，而其余参数保持不变，则检测线圈1的等效电阻Z就成为关于距离x的单值函数。从而，可以通过检测线圈1的等效电阻Z确定距离x的大小。
然而，在温度较高的情况下，检测线圈1的输出信号会受到温度的影响，导致电涡流传感器的输出信号产生较大的误差。因而，在所述电涡流传感器的探头中增加温度补偿线圈2，根据温度补偿线圈2的温漂抵消掉检测线圈1的温漂。其中，温度补偿线圈2优选为与所述检测线圈1的结构和电气参数相同。进一步的，可以采用相同的漆包线分别绕制检测线圈1和温度补偿线圈2，且检测线圈1与温度补偿线圈2均为匝线圈束，其中L为线圈的外径与内径之差，W为线圈的宽度。由于温度补偿线圈2作为检测线圈1的基准，通过检测线圈引出线(未画出)将检测线圈1的等效电阻Z1随距离x变化的输出信号输出至前置器，同时，通过补偿线圈引出线(未画出)将温度补偿线圈2的等效电阻Z2随距离x变化的输出信号输出至前置器。随着温度的变化两个线圈的阻抗均发生相同变化，通过前置器进行差分运算得到的两个线圈阻抗差值保持不变，因此，通过温度补偿线圈2能够有效的对检测线圈1进行温度补偿。
优选的，所述检测线圈1与探头的探测面平行，这样设计的好处在于检测线圈1周围产生的磁场与被测物4垂直，便于通过在磁场作用下检测线圈1的等效电阻的变化检测与被测物4的距离，简化了运算复杂度。参见图1所示，所述检测线圈1与探头的探测面平行，所述温度补偿线圈2平行于所述检测线圈1。如果未设置所述隔磁板3，在通过外围电路分别向检测线圈1和温度补偿线圈2通以频率和幅值均相同的激励信号时，在检测线圈1周围空间必然产生一个高频震荡的磁场，根据右手螺旋定则可知，磁场方向垂直于被测物4。在温度补偿线圈2周围空间也必然产生一个高频震荡的磁场，根据右手螺旋定则可知，磁场方向也垂直于被测物4。此时，温度补偿线圈2的磁场会干扰检测线圈1的磁场，在位移检测过程中，虽然对温度进行了补偿，但是由于两个线圈之间存在电磁影响而产生了新的误差。理论上，要减小所述因为温度补偿线圈2对检测线圈1的电磁影响而引入的误差，需要将两个线圈之间的距离设置的尽量远，至少大于2.5倍的电涡流传感器的标定量程，温度补偿线圈2对检测线圈1的影响才会减弱。为了解决检测线圈1与温度补偿线圈2之间的电磁影响问题，在两个线圈之间设置隔磁板3。该隔磁板3优选为高磁导率材料的圆形垫片，且隔磁板3的直径大于所述温度补偿线圈2的外径。这样设计的好处在于有效的屏蔽温度补偿线圈2的磁场对检测线圈1的磁场的影响。一般将磁导率大于5000的软磁材料成为高磁导率材料，例如，锰锌铁氧体、高磁导率合金或镍铜锌铁氧体等。
本实施例的技术方案，通过在检测线圈1和温度补偿线圈2之间设置隔磁板3，且隔磁板3分别与所述检测线圈1及所述温度补偿线圈2平行，实现减小温度补偿线圈2对检测线圈1的涡流场影响，进而为减小电涡流传感器的探头的体积提供技术基础。本实施例的技术方案解决目前电涡流传感器以增大探头为代价来提高温度补偿精度的问题，实现保证补偿精度的基础上减小探头尺寸，达到确保检测位移灵敏度以及减小探头尺寸的效果。
实施例二
图2是本发明实施例二中的一种电涡流传感器的探头中线圈位置截面图。本实施例的技术方案在上述实施例的基础上，对检测线圈1与温度补偿线圈2的具体位置作进一步限定，具体包括：所述检测线圈1与所述温度补偿线圈2关于所述隔磁板3镜像对称。在绕制线圈时，可以通过绕线机将同一捆漆包线按照设定的规则绕制在框架上，形成检测线圈1和温度补偿线圈2。其中，设定的规则可以为人工输入至绕线机的参数，包括线圈匝数、缠绕方式以及线圈之间的距离等。这样设计的好处在于有效的保证温度补偿线圈2与检测线圈1之间的参数一致性。通过隔磁板3可以有效的隔离温度补偿线圈2的磁场对检测线圈1的影响，进而，减小温度补偿线圈2与检测线圈1之间的干扰距离。例如，通过设置隔磁板3能够有效的实现20mm量程探头中温度补偿线圈2与检测线圈1之间干扰距离从50mm减少到30mm。
实施例三
图3是本发明实施例三中的另一种电涡流传感器的探头中线圈位置截面图。本实施例的技术方案在上述实施例的基础上，对检测线圈1与温度补偿线圈2的具体形状作进一步限定，具体包括：所述检测线圈1沿中心轴方向的截面为梯形，且梯形的底面与所述探测面的距离小于梯形的顶面与所述探测面的距离。虽然在检测线圈1和温度补偿线圈2之间设置隔磁板3能够隔离温度补偿线圈2的磁场和检测线圈1的磁场，但是，隔磁板3的电磁隔离效果会因为温度补偿线圈2和检测线圈1之间的距离减小而减弱。进而，由于温度补偿线圈2的涡流场影响使得标定为20mm的电涡流传感器的线性量程范围可能从5-25mm减小到7-25mm，有效线性量程减小到18mm。为了补偿线性量程的损失，达到标定为20mm的电涡流传感器的有效线性量程为20mm，对检测线圈1和温度补偿线圈2的结构进行改进。经过仿真实验发现：线圈的匝数越多，线性量程范围越大，然而，线圈越薄，灵敏度越高。因此，优选将检测线圈1和温度补偿线圈2设计成截面为梯形的线圈束。进一步的，使检测线圈1和温度补偿线圈2的梯形截面的截面积与实施例二中矩形截面的截面积相等，以保证两种设计结构得到的检测线圈1和温度补偿线圈2的参数基本保持不变，有效的弥补由于温度补偿线圈2与检测线圈1相距太近造成的线性量程减少的问题。例如，采用本实施例中的检测线圈1和温度补偿线圈2使标定为20mm量程的电涡流传感器线性范围可以由7-25mm增加到5-25mm，有效线性量程恢复为20mm。本实施例的技术方案达到了在电涡流传感器差分温度补偿中能够有效减小传感器探头体积，并确保线性量程不因温度补偿线圈2对检测线圈1的影响而减少的效果。
实施例四
图4是本发明实施例四中的一种电涡流传感器的结构框图，该电涡流传感器包括前置器430、延伸电缆420和上述任一实施例的探头410；
所述检测线圈的检测线圈引出线通过延伸电缆420与所述前置器430电连接；
所述温度补偿线圈的补偿线圈引出线通过延伸电缆420与所述前置器430电连接；
所述前置器430，用于接收所述检测线圈的检测信号和所述温度补偿线圈的补偿信号，对所述检测信号和所述补偿信号进行差分运算，以消除所述检测线圈的温漂。
本实施例的技术方案，通过采用上述实施例中记载的探头410，实现通过隔离板将温度补偿线圈的磁场和检测线圈的磁场进行隔离，既减小温度补偿线圈对检测线圈的涡流场影响，又可以进行温度补偿，达到减小传感器探头体积的目的，进而，有效地减小传感器体积，并且由于温度补偿线圈的添加，使前置器430中的运算形成闭环回路，能够有效的对检测线圈进行温度反馈补偿。
实施例五
图5是本发明实施例五中的一种电涡流传感器中前置器的结构框图。本实施例的技术方案在实施例四的基础上，进一步对前置器的结构进行限定，具体包括：差分电路431、检波电路432、放大滤波电路433和处理器434；
所述差分电路431分别与所述检测线圈和温度补偿线圈电连接，用于接收所述检测信号和所述补偿信号，输出差分信号至所述检波电路432；
所述检波电路432与所述放大滤波电路433电连接，用于接收所述差分信号，输出低频信号至所述放大滤波电路433；
所述放大滤波电路433与所述处理器434电连接，用于接收所述低频信号，对所述低频信号进行放大处理和滤波处理得到输出信号，将所述输出信号输入所述处理器434；
所述处理器434，用于对所述输出信号进行线性校正操作得到检测结果。
参见图5所示，检测线圈的输出电压为V1，温度补偿线圈的输出电压为V2，通过差分电路431对V1和V2进行减法运算得到差分信号，差分信号的电压为V，即V＝V1-V2。
在探头处于高温状态下，检测线圈输出电压V1与温度补偿线圈输出电压V2均会产生温漂，两个线圈尺寸与结构参数相同，温度对检测线圈与温度补偿线圈产生的温漂相同(主要为线圈的等效电阻变化产生)，在该温度下产生的温漂为VR，在当前高温情况下的输出电压Vout，即Vout＝(V1±VR)-(V2±VR)＝V1-V2＝V。因此，在高温环境中，电涡流传感器的差分电路431处理后输出总电压Vout在温度补偿线圈作用下与正常环境中输出的差分信号的电压V相同，因此，温度补偿线圈有效的对电涡流传感器中检测线圈因高温产生的温漂进行补偿。差分电路431输出差分信号至所述检波电路432，经检波后输出低频信号至放大滤波电路433。放大滤波电路433接收所述低频信号，对所述低频信号进行放大处理和滤波处理得到输出信号，将所述输出信号输入所述处理器434。经过模拟信号转数字信号(A/D)的操作以及线性校正操作得到检测结果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种电涡流传感器的探头，包括检测线圈和温度补偿线圈，其特征在于，还包括：隔磁板；
所述隔磁板设置于所述检测线圈和所述温度补偿线圈之间，且分别与所述检测线圈及所述温度补偿线圈平行。
2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述检测线圈与所述温度补偿线圈的结构和电气参数相同。
3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述隔磁板为采用高磁导率材料的圆形垫片，且隔磁板的直径大于所述温度补偿线圈的外径。
4.根据权利要求1至3中任一所述的探头，其特征在于，所述检测线圈与探头的探测面平行。
5.根据权利要求1至3中任一所述的探头，其特征在于，所述检测线圈与所述温度补偿线圈关于所述隔磁板镜像对称。
6.根据权利要求5所述的探头，其特征在于，所述检测线圈沿中心轴方向的截面为梯形，且梯形的底面与所述探测面的距离小于梯形的顶面与所述探测面的距离。
7.一种电涡流传感器，包括前置器和延伸电缆，其特征在于，还包括权利要求1至6中任一所述的探头；
所述检测线圈的线圈引出线通过延伸电缆与所述前置器电连接；
所述温度补偿线圈的线圈引出线通过延伸电缆与所述前置器电连接；
所述前置器，用于接收所述检测线圈的检测信号和所述温度补偿线圈的补偿信号，对所述检测信号和所述补偿信号进行差分运算，以消除所述检测线圈的温漂。
8.根据权利要求7所述的电涡流传感器，其特征在于，所述前置器包括差分电路、检波电路、放大滤波电路和处理器；
所述差分电路分别与所述检测线圈和温度补偿线圈电连接，用于接收所述检测信号和所述补偿信号，输出差分信号至所述检波电路；
所述检波电路与所述放大滤波电路电连接，用于接收所述差分信号，输出低频信号至所述放大滤波电路；
所述放大滤波电路与所述处理器电连接，用于接收所述低频信号，对所述低频信号进行放大处理和滤波处理得到输出信号，将所述输出信号输入所述处理器；
所述处理器，用于对所述输出信号进行线性校正操作得到检测结果。
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