CN106441378B - 电涡流传感器及其材料档位调节电阻确定方法、测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电涡流传感器及其材料档位调节电阻确定方法、测试方法。该电涡流传感器包括依次连接的高频信号激励源、测量信号发生电路、以及输出端子，其中，测量信号发生电路包括并联谐振电路，并联谐振电路包括并联设置的线圈支路和电容支路，其中，线圈支路包括串联的探头线圈和材料档位调节电阻，线圈支路及电容支路的一端与高频信号激励源连接、另一端接地。本发明可通过材料档位调节电阻补偿由于待检测的目标材料的电导率变化而引起等效线圈阻抗变化，进而改变电涡流传感器的灵敏度等相关指标，最终使不同目标材料的谐振电压输出特性曲线随位移变化一致，克服不同检测材料对检测结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体而言，涉及一种电涡流传感器及其材料档位调节电阻确定方法、测试方法。
背景技术
电涡流传感器由于结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强等优点，已经广泛应用于机械参数测量、石油输送管道无损检测、航空航天等领域。
目前，常用的电涡流传感器的工作方式从原理上分为定频调幅法、变频调幅法和调频法。其中，图1示出了定频调幅法的电路原理图，其具有稳定度高，参数易于调整等优点，是主流的设计方案。
如图1所示，现有技术中的电涡流传感器包括：高频信号激励源1、分压电阻3、输出端子2和并联谐振电路。其中，高频信号激励源1的输出端通过分压电阻3与输出端子2连接，在分压电阻3与输出端子2之间还可串联一个信号处理电路6。此外，该并联谐振电路包括探头线圈L和电容C。
在工业应用中，同一台电涡流传感器可能被用于测量不同的设备或者部件的位移，由于检测材料的差异会带来误差。然而，现有技术中，还没有能够针对不同材料进行位移检测的通用传感器。这样，用户在使用的时候，针对检测不同的材料，需要更换对应的传感器，造成经济效益差，工作效率低。
发明内容
本发明实施例中提供一种电涡流传感器及其材料档位调节电阻确定方法、测试方法，以解决现有技术中检测不同的材料，需要更换对应的传感器，造成经济效益差，工作效率低的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种电涡流传感器，包括依次连接的高频信号激励源、测量信号发生电路、以及输出端子，其中，测量信号发生电路包括并联谐振电路，并联谐振电路包括并联设置的线圈支路和电容支路，其中，线圈支路包括串联的探头线圈和材料档位调节电阻，线圈支路及电容支路的一端与高频信号激励源连接、另一端接地。
作为优选，电涡流传感器还包括信号处理电路，线圈支路及电容支路的一端通过信号处理电路与输出端子连接。
作为优选，材料档位调节电阻为数字电位器。
作为优选，材料档位调节电阻包括多个档位电阻，其中，多个档位电阻与模拟选择开关连接。
作为优选，并联谐振电路还包括分压电阻，高频信号激励源通过分压电阻与线圈支路及电容支路的一端连接。
本发明还提供了一种电涡流传感器的材料档位调节电阻确定方法，包括：提供上述的电涡流传感器；提供基准材料和目标材料；基准材料测试：调节电涡流传感器的材料档位调节电阻以产生稳定的谐振，并获得基准材料的第一谐振幅值位移曲线；目标材料测试：调节电涡流传感器的材料档位调节电阻，以获得不同阻值的材料档位调节电阻下的多条第二谐振幅值位移曲线；将第一谐振幅值位移曲线与多条第二谐振幅值位移曲线进行比较；将与第一谐振幅值位移曲线对应重合的那个第二谐振幅值位移曲线所对应的材料档位调节电阻的阻值作为与该目标材料对应的材料档位调节电阻的档位阻值。
作为优选，对多个目标材料进行测试，以获得不同目标材料所对应的档位阻值。
作为优选，调节电涡流传感器的材料档位调节电阻以产生稳定的谐振包括：将材料档位调节电阻的阻值调节至位于材料档位调节电阻的最大值与最小值之间的预定值，以此预定值为基准调节材料档位调节电阻以产生稳定的谐振。
本发明还提供了一种电涡流传感器的测试方法，包括：提供上述的电涡流传感器；确定目标材料的类型；将电涡流传感器的材料档位调节电阻调节至与目标材料的类型相对应的档位阻值；利用电涡流传感器对目标材料进行测试。
本发明可通过材料档位调节电阻补偿由于待检测的目标材料的电导率变化而引起等效线圈阻抗变化，进而改变电涡流传感器的灵敏度等相关指标，最终使不同目标材料的谐振电压输出特性曲线随位移变化一致，克服不同检测材料对检测结果的影响。
附图说明
图1是现有技术中的定频调幅式电涡流传感器电路结构图；
图2是电涡流传感器等效电路；
图3是谐振电压幅值随线圈等效电感的变化关系图；
图4是不同电导率目标下的径向涡流强度分析图；
图5是电导率对谐振电压的影响分析图；
图6是本发明中的电涡流传感器的电路原理图；
图7是目标材料对测量结果影响及串联电阻的效果。
附图标记说明：1、高频信号激励源；2、输出端子；3、分压电阻；4、探头线圈；5、材料档位调节电阻；6、信号处理电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
为了能够实现对不同目标材料的检测，发明人进行了如下研究：首先，电涡流传感器的金属导体近似看成一个短路线圈，因此可以得到如图2所示的空心变压器的等效电路图。
其中，线圈和被测金属导体之间定义一个互感系数M，R1为线圈电阻，L1为线圈电感，R2为导体电阻，L2为导体电感，U为激励源电压。
根据等效电路，由基尔霍夫定理可知：
其中，式(1)得线圈的等效电感和内阻电阻分别为：
由上述原理可知：线圈的等效电阻随涡流效应增强而增大，等效电感随涡流效应的增强而减小。
一般情况下，电感位移灵敏度大于电阻位移的灵敏度，因此发明人采用电感作为测量量来表示目标位移的变化，即认为电感是影响谐振电压的主要参数，电阻的变化是次要影响因子。
LC两端的电压为：
其中，uLrC为线圈和电容两端的电压，zLrC为线圈和谐振电容的并联阻抗，且
根据上述关系，通过计算得到谐振电压幅值随位移的变化关系如图3所示。
如图3所示，图中从上往下线圈的等效电阻Rs依次增大。因此，可得到如下结论：在LC并联谐振频率点的左侧，谐振电压幅值随着电感增大即位移的增大而增大，若线圈的等效内阻越小，则谐振幅值越大，也就是说线圈的等效电阻影响谐振电压幅值的大小。
电涡流传感器的输出与被测体的电磁特性相关，其中电导率是一个主要的影响因素。图4示出了不同电导率材料下的相同位移处的电涡流强度径向分布，其中IACS为国际上以退火铜的电导率58.0MS/m作为标准电导率(IACS)用来计算其他材料的相对电导率，比如，铝的相对电导率为60％。
在此基础上，发明人发现在电导率为唯一变量的情况下，电涡流强度与电导率成正比，即电导率越大，电涡流强度越强。而电涡流强度的大小又会影响被测体的感应电阻，因此，根据式(2)进而可改变测量线圈的等效电阻的值。根据实验，可以测得不同电导率目标检测材料下的谐振幅值位移曲线变化关系如图5所示。
可见，由于检测材料的引起谐振电压的变化，可以通过调节线圈的串联电阻去抵消，最终保证谐振电压是一致的，也就是送入到信号处理电路前的信号是相同的。
通过发明人的上述研究可知，为了消除材料电导率的影响，可以在电感支路串联一个可调电阻，为此本发明提供了如图6所示的电涡流传感器。
请参考图6，该电涡流传感器包括依次连接的高频信号激励源1、测量信号发生电路、以及输出端子2。其中，所述测量信号发生电路包括并联谐振电路，所述并联谐振电路包括并联设置的线圈支路和电容支路，其中，所述线圈支路包括串联的探头线圈4和材料档位调节电阻5，所述线圈支路及所述电容支路的一端与所述高频信号激励源1连接、另一端接地。优选地，并联谐振电路还包括分压电阻3，高频信号激励源1通过分压电阻3与线圈支路及电容支路的一端连接。电容支路包括电容C。
这样，本发明可通过材料档位调节电阻5补偿由于待检测的目标材料的电导率变化而引起等效线圈阻抗变化，进而改变电涡流传感器的灵敏度等相关指标，最终使不同目标材料的谐振电压输出特性曲线随位移变化一致，克服不同检测材料对检测结果的影响，解决了检测不同的材料时需要更换对应的传感器，造成经济效益差，工作效率低的问题。
使用时，可根据实际测量的目标材料，将材料档位调节电阻5调至与该目标调节相匹配的档位阻值，从而可使不同目标材料的测量结果一致，达到使用同一传感器就能够检测多种材料的目的，进而提高效率，降低测量成本。
优选地，所述电涡流传感器还包括信号处理电路6，所述线圈支路及所述电容支路的所述一端通过所述信号处理电路6与所述输出端子2连接。
在一个优选实施例中，本发明中的材料档位调节电阻5为数字电位器，这样可以采用数据的方式快速而准确地调节控制档位阻值。在另一个实施例中，所述材料档位调节电阻5包括多个档位电阻，其中，所述多个档位电阻与模拟选择开关连接。
下面，本发明则具体提出一种用于确定上述电涡流传感器的材料档位调节电阻确定方法，该方法优选通过以下方式实现：
首先，本方法需要提供作为基准的基准材料和作为待测试材料的目标材料。
其次，确定材料档位调节电阻的档位阻值，具体包括以下几个步骤：
(1)基准材料测试：
首先，我们要采用某一个基准材料作为参考。由于基准材料不同，其电阻率也不同的，因此产生谐振时对应的材料档位调节电阻的阻值也是不同的。
为此，需要调节电涡流传感器的材料档位调节电阻5以产生稳定的谐振。然后从而获得在某一位移时的谐振幅值。其中，该位移是指电涡流传感器的探头线圈与基准材料或目标材料之间的距离。
然后，不断改变上述位移，从而获得在不同位移下的谐振幅值，从而可以绘制出基准材料的谐振幅值位移曲线，在此我们称之为第一谐振幅值位移曲线。
(2)目标材料测试：
在获得了基准材料的谐振幅值位移曲线之后，本发明通过上述的电涡流传感器对目标材料进行测试，以获取目标材料的谐振幅值位移曲线。其中，谐振幅值位移曲线的数据获取及绘制过程与基准材料的谐振幅值位移曲线的获取过程和方式类似，在此不再赘述。
不同的是，在测试的过程中，需要不断地调节电涡流传感器的材料档位调节电阻5的阻值大小，以获得不同阻值情况下的多条第二谐振幅值位移曲线。
(3)找出基本重合的第二谐振幅值位移曲线：
将第一谐振幅值位移曲线与多条第二谐振幅值位移曲线进行比较，以找到与第一谐振幅值位移曲线开关最为贴近的或者说基本重合的那个第二谐振幅值位移曲线。
(4)确定档位阻值：
将与第一谐振幅值位移曲线对应重合的那个第二谐振幅值位移曲线所对应的材料档位调节电阻5的阻值作为与该目标材料对应的材料档位调节电阻5的档位阻值。
优选地，对多个目标材料进行测试，以获得不同目标材料所对应的档位阻值。
例如，先以某一材料为基准材料，然后测量谐振稳定时的幅值，并绘制一组幅值位移曲线。由于不同的目标材料的谐振幅值位移曲线往往是不同的，使用时，以该目标材料为基准，通过调节材料档位调节电阻5的值，使测量其他材料时，幅值位移曲线与基准材料下基本重合。
如此重复得到若干种目标材料对应的档位阻值，再将档位阻值对应不同的档位，最终实现了目标材料和档位的一一对应(如下表所示)。
| 目标材料 | 可调电阻阻值 | 档位 |
| 铜 | X1 | 1 |
| 铝 | X2 | 2 |
| 不锈钢 | X3 | 3 |
| … | … | … |
用户在使用的时候，只需根据检测目标材料，调至对应的档位完成位移的检测，无需更换传感器，省时、简单、易操作。
图7示出了目标材料对测量结果影响及串联电阻的效果。如图7所示，调节串联电阻(即材料档位调节电阻5)可以抵消目标材料的改变，进而保证谐振电压位移曲线是一致的，进而保证设计的传感器可以用于检测多种材料。例如，线圈支路串联材料档位调节电阻5后，检测导电率为80％IACS的目标材料的谐振幅值响应曲线，与原本检测电导率为50％IACS的目标材料的谐振幅值响应曲线趋于一致，因此，无需调整信号处理电路的参数，就可以使传感器输出最终一致。
由于不同基准材料的电阻率是不同的，因此，对于有的基准材料来说，需要将材料档位调节电阻5向上调节，而有的基准材料则需要将材料档位调节电阻5向下调节。以需要向上调节的情况来说，如果将材料档位调节电阻5在初始时设置成最大值，则无法进一步向上调节。为了避免这一问题，本发明在调节电涡流传感器的材料档位调节电阻5以产生稳定的谐振时：将材料档位调节电阻5的阻值调节至位于材料档位调节电阻5的最大值与最小值之间的预定值，以此预定值为基准调节材料档位调节电阻5以产生稳定的谐振。
本发明还提供了一种电涡流传感器的测试方法，包括：提供上述的电涡流传感器；确定目标材料的类型；将电涡流传感器的材料档位调节电阻5调节至与目标材料的类型相对应的档位阻值；利用电涡流传感器对目标材料进行测试。
当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电涡流传感器，其特征在于，包括依次连接的高频信号激励源(1)、测量信号发生电路、以及输出端子(2)，其中，所述测量信号发生电路包括并联谐振电路，所述并联谐振电路包括并联设置的线圈支路和电容支路，其中，所述线圈支路包括串联的探头线圈(4)和材料档位调节电阻(5)，所述线圈支路及所述电容支路的一端与所述高频信号激励源(1)连接、另一端接地。
2.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述电涡流传感器还包括信号处理电路(6)，所述线圈支路及所述电容支路的所述一端通过所述信号处理电路(6)与所述输出端子(2)连接。
3.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述材料档位调节电阻(5)为数字电位器。
4.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述材料档位调节电阻(5)包括多个档位电阻，其中，所述多个档位电阻与模拟选择开关连接。
5.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述并联谐振电路还包括分压电阻(3)，所述高频信号激励源(1)通过所述分压电阻(3)与所述线圈支路及所述电容支路的所述一端连接。
6.一种电涡流传感器的材料档位调节电阻确定方法，其特征在于，包括：
提供权利要求1至5中任一项所述的电涡流传感器；
提供基准材料和目标材料；
基准材料测试：调节所述电涡流传感器的材料档位调节电阻(5)以产生稳定的谐振，并获得基准材料的第一谐振幅值位移曲线；
目标材料测试：调节所述电涡流传感器的材料档位调节电阻(5)，以获得不同阻值的材料档位调节电阻(5)下的多条第二谐振幅值位移曲线；
将第一谐振幅值位移曲线与所述多条第二谐振幅值位移曲线进行比较；
将与所述第一谐振幅值位移曲线对应重合的那个第二谐振幅值位移曲线所对应的材料档位调节电阻(5)的阻值作为与该目标材料对应的材料档位调节电阻(5)的档位阻值。
7.根据权利要求6所述的电涡流传感器的材料档位调节电阻确定方法，其特征在于，对多个目标材料进行测试，以获得不同目标材料所对应的档位阻值。
8.根据权利要求6所述的电涡流传感器的材料档位调节电阻确定方法，其特征在于，调节所述电涡流传感器的材料档位调节电阻(5)以产生稳定的谐振包括：将所述材料档位调节电阻(5)的阻值调节至位于所述材料档位调节电阻(5)的最大值与最小值之间的预定值，以此预定值为基准调节所述材料档位调节电阻(5)以产生稳定的谐振。
9.一种电涡流传感器的测试方法，其特征在于，包括：
提供权利要求1至5中任一项所述的电涡流传感器；
确定目标材料的类型；
将所述电涡流传感器的材料档位调节电阻(5)调节至与所述目标材料的类型相对应的档位阻值；
利用所述电涡流传感器对所述目标材料进行测试。
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