CN106500580B - 电涡流位移传感器及其探头和线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电涡流位移传感器及其探头和线圈，其中，所述探头包括：绕线支架，所述绕线支架整体呈回转体，其沿着轴线方向具有第一端和第二端，其中，靠近所述第一端位置形成有配合部；线圈，设置在所述绕线支架上；所述线圈整体呈环状回转体，所述线圈中部设置有用于和所述配合部相配合的贯通孔，所述线圈位于所述贯通孔位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。本发明提供的电涡流位移传感器及其探头和线圈能够同时满足安装和检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体而言，涉及一种电涡流位移传感器及其探头和线圈。
背景技术
电涡流位移传感器能非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离，是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器常常应用于高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，其能获取非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如轴的径向振动、振幅以及轴向位置等。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。
具体的，电涡流位移传感器主要由传感器前置器、探头以及线缆组成。其中，探头用于感应被测金属物体的位移量。探头主要由绕线支架和绕制在该绕线支架上的线圈组成。整体上，探头的外型尺寸主要取决于线圈的大小。探头通过线缆与前置器相连接，以将检测到的信号传输给前置器。传感器前置器接收到探头信号后，对探头信号进行调理输出电信号。
使用时，探头需要设置至被检测物预定距离处。当被检测物由于本身结构限制使得其提供安装所述探头的空间非常有限时，需要尽可能地选择探头尺寸较小的电涡流位移传感器才能实现探头的安装；而与此同时，由于探头的尺寸较小时，其线圈的尺寸也较小，相应的其对应的线性测量量程也就小，很有可能不能满足检测的需求。即，目前针对安装空间狭小的场合，当其对测量量程要求较高时，目前的电涡流位移传感器存在不适用的问题。
综上可见，有必要对电涡流位移传感器进行结构的改进，使其能够同时满足安装和检测的需求。
发明内容
本发明旨在提供一种能够同时满足安装和检测需求的电涡流位移传感器及其探头和线圈。
本发明提供了一种探头，包括：
绕线支架，所述绕线支架整体呈回转体，其沿着轴线方向具有第一端和第二端，其中，靠近所述第一端位置形成有配合部；
线圈，设置在所述绕线支架上；所述线圈整体呈环状回转体，所述中部设置有用于和所述配合部相配合的贯通孔，所述线圈位于所述贯通孔位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。
进一步的，所述贯通孔的内径沿着所述线圈的轴向至少部分逐渐增大。
进一步的，所述线圈位于所述贯通孔位置的内表面的横截面为梯形。
进一步的，所述梯形为等腰梯形。
进一步的，所述配合部为所述绕线支架表面向内形成的凹槽，所述凹槽的坡度与所述等腰梯形的锐角相匹配。
一种电涡流位移传感器，其包括：任一上述的探头，以及通过线缆与所述探头连接的前置器。
进一步的，所述电涡流位移传感器还包括壳体，所述前置器、线缆和探头一体化设置在所述壳体内；或者，所述探头单独设置在所述壳体内。
一种线圈，其由至少一股线绕制在绕线支架上形成，所述线圈整体呈环状回转体，其中部设置有用于和所述绕线支架相配合的贯通孔，所述线圈位于所述贯通孔位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。
进一步的，所述贯通孔的内径沿着所述线圈的轴向至少部分逐渐增大。
进一步的，所述线圈位于所述贯通孔位置的内表面的横截面为梯形。
本发明提供了一种电涡流位移传感器，通过在探头内设置内表面具有变内径段的线圈，相对于现有线圈内表面为不变内径而言，相当于将现有线圈靠近内表面的局部线圈向外移动，使其更靠近检测面，从而能够使得线圈通过的电流在被测物中电涡流强度更大。当涡流场强度增大后，线圈与检测面在相对距离更远处也有涡流场变化，在该变化范围内即为传感器线性量程范围，即上述线圈结构的改进最终能够提高电涡流位移传感器整体线性量程范围，最终实现了在不增大探头线圈的外径的前提下，增大电涡流位移传感器的测量范围，或者说相对于同样的测量范围而言，本申请提供的电涡流位移传感器的尺寸更小，便于安装。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本申请实施方式中一种电涡流位移传感器的结构示意图；
图2是本申请实施方式中一种电涡流位移传感器的前置器的原理示意图；
图3是本申请实施方式中一种电涡流位移传感器的探头结构示意图；
图4是本申请实施方式中一种电涡流位移传感器的探头内的线圈的剖视图；
图5是现有技术中电涡流位移传感器的探头内的线圈的剖视图；
图6是梯形线圈与矩形线圈涡流场对比图。
附图标记说明：
1、探头；2、线缆；3、前置器；31、晶体振荡器；32、放大器；33、检波器；34、滤波器；11、线圈；12、绕线支架；110、贯通孔；120、凹槽；1A、矩形线圈；1B、梯形线圈。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
根据法拉第电磁感应原理，金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流位移传感器是一种非接触式位移检测传感器，其依赖探头的线圈和被测金属导体之间的电磁感应机理工作。
目前普遍使用的电涡流传感器系统，受到信号处理电路的影响以及由于电涡流效应为非线性，所以电涡流位移传感器的测量范围比较小，一般为探头直径的1/3—1/5。例如，直径5毫米(mm)的探头的测量范围为1mm或2mm。
本申请实施方式中提供了一种能够同时满足安装和检测需求的电涡流位移传感器及其探头和线圈，即能够在不增大探头线圈的外径的前提下，增大电涡流位移传感器的测量范围，或者说相对于同样的测量范围而言，本申请提供的电涡流位移传感器的尺寸更小，便于安装。
请参阅图1，本申请实施方式中提出的一种电涡流位移传感器可以包括：探头1和通过线缆2与所述传感器连接的前置器3。
在本实施方式中，所述前置器3用于对所述探头1检测到的信号进行处理，并输出对应的电信号。
请结合参阅图2，图2中原理图说明了电涡流位移传感器前置器3信号处理过程。当一组高频激励信号通过LC后，会输出相应的一个频率不变、幅值变化的交流电压反馈信号，幅值随着电感L与检测面不同位移而变化，该反馈信号经过检波、放大、滤波等处理后会输出相对应的电压信号。
在一个具体的实施方式中，所述前置器3可以包括依次连接的晶体振荡器31、LC电路、放大器32、检波器33、滤波器34以及通过并联连接的方式设置在所述电阻R与所述放大器32之间的电感L和电容C。其中，所述电感L的一端连接在所述电阻R与所述放大器32之间，另一端接地。所述电容C的一端连接在所述电阻R与所述放大器32之间，另一端也接地。
当然，所述前置器3的具体组成和连接等并不限于上述举例，本领域技术人员还可以作出其他变更，本申请在此并不作具体的限定。
在本实施方式中，所述探头1可以用于感应被测金属物体的位移量。
请结合参阅图3，探头1主要由绕线支架12和绕制在该绕线支架12上的线圈11组成。其中，所述绕线支架12整体呈回转体，其沿着轴线方向具有相背对的第一端和第二端，其中，靠近所述第一端位置形成有配合部。设置在所述绕线支架12上的线圈11；所述线圈11整体呈环状回转体，其中部设置有用于和所述配合部相配合的贯通孔110，所述线圈11位于所述贯通孔110位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。
在本实施方式中，所述线圈11位于所述贯通孔110位置的内表面沿着轴向可以形成有变内径段。当所述线圈11的内表面形成有变内径段时，相对于现有线圈11内表面为不变内径而言，相当于将现有线圈11靠近内表面的局部线圈11向外移动，使其更靠近检测面，从而能够使得线圈11通过的电流在被测物中电涡流强度更大。当涡流场强度增大后，线圈11与检测面在相对距离更远处也有涡流场变化，在该变化范围内即为传感器线性量程范围，即上述线圈11结构的改进最终能够提高电涡流位移传感器整体线性量程范围。如原来可在0-2mm范围内有涡流场变化，增强电涡流强度后，在0-3mm范围内也有变化，从而将量程范围从2mm增大到3mm。
其中，所述变内径段可以为所述线圈11贯通孔110位置对应的内径具有变化，为非常数。具体的，所述变内径段可以由所述线圈11的贯通孔110位置的内径沿着所述线圈11的轴向至少部分逐渐增大形成。或者，所述变内径段也可以为所述线圈11的内表面向内形成的局部缩径段等。当然，所述变内径段的形式和形成方式并不限于上述描述，所属领域技术人员在本申请的技术精髓启示下，还可能做出其他的变更，但只要其实现的功能和效果与本申请相同或相似，均应涵盖于本申请保护范围内。
进一步的，所述线圈11位于所述贯通孔110位置的内表面的横截面可以为梯形。
在本实施方式中，所述线圈11的内表面的内径可以自线圈11的一端面向线圈11的另一端面逐渐变大，即所述线圈11的内表面的横截面可以为梯形，以便于将线圈11靠近内表面的局部线圈11向外移动，使其更靠近检测面，从而能够使得线圈11通过的电流在被测物中电涡流强度更大，进而提高电涡流位移传感器的线性量程。
在一个实施方式中，所述梯形可以为等腰梯形。相应的，所述配合部为所述绕线支架12表面向内形成的凹槽120，所述凹槽120的坡度与所述等腰梯形的锐角相匹配。
在本实施方式中，所述线圈11的内表面对应的横截面可以为等腰梯形，相应的，设置所述线圈11的绕线支架12的表面可以设置有与所述等腰梯形相匹配的凹槽120，所述凹槽120的坡度与所述等腰梯形的锐角相匹配，具体的，可以相同。当所述绕线支架12的表面的凹槽120的坡度与所述等腰梯形的锐角相同时，即表示该凹槽120的外部截面为截面积逐渐变化的圆形，上述凹槽120的形状不仅由于与绕行支架的加工成型而且有利于降低线圈11与所述绕线支架12安装的难度。在一个具体的实施方式中，所述等腰梯形的锐角的角度可以为45度。当然，所述等腰梯形的锐角的角度并不限于上述举例，本申请在此并作具体的限定。
在一个实施方式中，所述电涡流位移传感器还可以包括壳体，所述前置器3、线缆和探头1一体化设置在所述壳体内，或者，所述探头1单独设置在所述壳体内。
当所述探头1与所述前置器3分体设置时，所述壳体用于设置在所述探头1的外部。当所述前置器3、线缆和探头1一体化设置在壳体内时，所述前置器3、线缆和探头1可以根据实际的安装需求进行合理分布，从而尽可能保证所述壳体的外形尺寸较小。具体的，所述前置器3、线缆和探头1在所述壳体内的分布，本申请在此并不作具体的限定。当所述前置器3、线缆和探头1一体化设置时，相对而言，其外壳的外形尺寸会较大，此时，对于各个部件包括前置器3、线缆2和探头1的尺寸小型化就尤为突出。特别是对于探头1的尺寸而言，都会对安装尺寸带来较大的影响。
实际使用时，电涡流位移传感器系统中的前置器3中高频振荡电流通过线缆流入探头1线圈11，在探头1的线圈11中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与线圈11方向相反的交变磁场。由于其反作用，使线圈11高频电流的幅度和相位得到改变(即改变了线圈11的有效阻抗)。这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈11的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈11到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈11和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、线圈11与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈11特征阻抗可用Z＝F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈11的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器3电子线路的处理，将线圈11阻抗Z的变化，即线圈11与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化，输出信号的大小随探头1到被测体表面之间的间距而变化，实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
请结合参阅图4至图6，本申请实施方式中，将目前内表面的横截面为矩形的线圈(以下简称矩形线圈1A)与本申请内表面的横截面为梯形的线圈(以下简称梯形线圈1B)对应的涡流场进行对比，图中横坐标表示位移；纵坐标表示涡流场强度。可以看出梯形线圈1B对应的涡流场强度明显强于所述矩形线圈1A，相应的，梯形线圈1B相当于矩形线圈1A而言，在相同外径条件下，其对应的线性量程范围更大。
本申请所述的电涡流位移传感器，通过在探头1内设置内表面具有变内径段的线圈11，相对于现有线圈11内表面为不变内径而言，相当于将现有线圈11靠近内表面的局部线圈11向外移动，使其更靠近检测面，从而能够使得线圈11通过的电流在被测物中电涡流强度更大。当涡流场强度增大后，线圈11与检测面在相对距离更远处也有涡流场变化，在该变化范围内即为传感器线性量程范围，即上述线圈11结构的改进最终能够提高电涡流位移传感器整体线性量程范围，最终实现了在不增大探头1线圈11的外径的前提下，增大电涡流位移传感器的测量范围，或者说相对于同样的测量范围而言，本申请提供的电涡流位移传感器的尺寸更小，便于安装。
本申请实施方式中还提供了一种线圈11，其由至少一股线绕制在绕线支架12上形成，所述线圈11整体呈环状回转体，其中部设置有用于和所述绕线支架12相配合的贯通孔110，所述线圈11位于所述贯通孔110位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。
在一个实施方式中，所述贯通孔110的内径沿着所述线圈11的轴向至少部分逐渐增大。
在一个具体的实施方式中，所述线圈11位于所述贯通孔110位置的内表面的横截面为梯形。
具体的，所述线圈的结构以及其结构改进对应产生的技术效果与上述电涡流位移传感器实施方式中探头的线圈相对应，本申请在此不再赘述。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种探头，其特征在于，包括：
绕线支架(12)，所述绕线支架(12)整体呈回转体，其沿着轴线方向具有第一端和第二端，其中，靠近所述第一端位置形成有配合部；
线圈(11)，设置在所述绕线支架(12)上；所述线圈(11)整体呈环状回转体，所述线圈(11)的中部设置有用于和所述配合部相配合的贯通孔(110)，所述线圈(11)位于所述贯通孔(110)位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。
2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述贯通孔(110)的内径沿着所述线圈(11)的轴向至少部分逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述线圈(11)位于所述贯通孔(110)位置的内表面的横截面为梯形。
4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于，所述梯形为等腰梯形。
5.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述配合部为所述绕线支架(12)表面向内形成的凹槽(120)，所述凹槽(120)的坡度与所述等腰梯形的锐角相匹配。
6.一种电涡流位移传感器，其特征在于，其包括：如权利要求1至5任一所述的探头(1)，以及通过线缆(2)与所述探头(1)连接的前置器(3)。
7.如权利要求6所述的电涡流位移传感器，其特征在于，还包括壳体，所述前置器(3)、线缆(2)和探头(1)一体化设置在所述壳体内；或者，所述探头(1)单独设置在所述壳体内。
8.一种线圈，其特征在于，其由至少一股线绕制在绕线支架(12)上形成，
所述线圈(11)整体呈环状回转体，其中部设置有用于和所述绕线支架(12)相配合的贯通孔(110)，所述线圈(11)位于所述贯通孔(110)位置的内表面沿着轴向形成有变内径段。
9.根据权利要求8所述的线圈，其特征在于，所述贯通孔(110)的内径沿着所述线圈(11)的轴向至少部分逐渐增大。
10.根据权利要求9所述的线圈，其特征在于，所述线圈(11)位于所述贯通孔(110)位置的内表面的横截面为梯形。
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