CN110793424A - 耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头及应用，该传感器探头包括平面空心感应线圈和封装平面空心感应线圈的封装陶瓷外壳；平面空心感应线圈的材质为表面包裹耐高温绝缘漆的铂丝，且平面空心感应线圈是由铂丝在平面内螺旋紧密绕制成的空心圆盘结构，铂丝的两端分别为引线，且引线均伸出封装陶瓷外壳外部；封装陶瓷外壳为圆柱形结构，且平面空心感应线圈封装在封装陶瓷外壳内。本发明与螺旋管式线圈相比具有更强的磁场强度，感应灵敏度更大。采用陶瓷凝胶对线圈进行封装，可有效固定感应线圈的结构、位置，避免高温变形对线圈感应位移结果的影响，即降低热膨胀对测量结果的影响，延长传感器探头在高温腐蚀环境中的使用寿命。

Description

耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头及应用

技术领域

本发明属于高温环境下的微小间隙测量技术领域，具体涉及一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头及应用。

背景技术

电涡流传感器是一种具有高灵敏度、大感应范围、快响应速度和简单结构的非接触式测量传感器。在机械位移、变形、裂纹检测等方面具有广泛的应用价值。对于燃气涡轮发动机中部件的微小间隙测量问题来说，对传感器的耐温性、分辨率具有更高的要求。以往的电涡流传感器线圈采用金属铜或银制作而成，耐温最高不超过900℃；或是采用复杂的探头结构对感应线圈进行冷却，以提高探头使用温度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头及应用，克服现有难以实现1000℃以上环境温度中的非接触微小位移测量的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头包括平面空心感应线圈和封装所述平面空心感应线圈的封装陶瓷外壳；

所述平面空心感应线圈的材质为表面包裹耐高温绝缘漆的铂丝，且平面空心感应线圈是由所述铂丝在平面内螺旋紧密绕制成的空心圆盘结构，铂丝的两端分别为引线，且引线均伸出所述封装陶瓷外壳外部；

所述封装陶瓷外壳为圆柱形结构，且平面空心感应线圈封装在封装陶瓷外壳内。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述平面空心感应线圈的铂丝直径为0.1mm-0.2mm，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为8-15匝；

所述平面空心感应线圈中心的空心部位的直径为1mm。

具体的，所述封装陶瓷外壳的底面直径为10～12mm，高为51mm。

所述的耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头用于高温设备中的部件微小位移测量的应用或用于1000℃以上环境温度中的非接触微小位移测量的应用或用于燃气涡轮环境中的叶片间隙测量的应用。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明采用平面空心感应线圈结构，与螺旋管式线圈相比具有更强的磁场强度，感应灵敏度更大。采用陶瓷凝胶对线圈进行封装，可有效固定感应线圈的结构、位置，避免高温变形对线圈感应位移结果的影响，即降低热膨胀对测量结果的影响。同时延长传感器探头在高温腐蚀环境中的使用寿命。

本发明的传感器结构简单，制作方便，所有材料均采用耐高温材料，具有以下突出技术特点：该探头可以在室温-1000℃的环境中长期稳定的测量微小位移变化，解决了现有技术中非接触电涡流传感器不能在极高温(500℃以上)环境中长期稳定测量微小位移的问题，使得该传感器探头可以在燃气涡轮环境中测量金属部件的间隙变化，从而实现对机械运行健康状态的监测。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的平面空心感应线圈示意图；

图3是本发明实施例2、实施例7和实施例9中平面空心感应线圈阻抗对比图；

图4是本发明实施例2、实施例7和实施例9中平面空心感应线圈品质因数对比图；

图5是本发明实施例7的传感器标定曲线；

图6是本发明实施例6的传感器标定曲线；

图7是本发明实施例1传感器环境温度控制曲线；

图8是本发明实施例1传感器耐温性实验过程中传感器输出信号曲线；

图9是对比例2高温后被氧化的钨丝传感器。

图中各标号表示为：1-平面空心感应线圈，2-引线，3-封装陶瓷外壳。

具体实施方式

本发明采用更耐高温的材料制作传感器，在保证传感器灵敏度、测量范围的同时，突破电涡流传感器的使用温度上限，为解决燃气涡轮中的部件间隙测量问题提供一种必需的传感器探头。本发明中的感应线圈采用平面空心线圈结构，与螺纹管式线圈相比具有更强的磁场密度，感应线圈更接近被测物体，因此具有更高的灵敏度；同时平面线圈的加工工艺简便，封装后结构简单，便于安装在机械装置上进行非接触位移测量。

本实施方式在保证传感器分辨率和感应量程的基础上，减小感应线圈尺寸，包括感应线圈厚度和径向尺寸。感应线圈结构采用平面空心线圈结构，较螺旋线圈的磁场强度更强。感应线圈采用铂丝材料，高温下稳定性良好，不易腐蚀、变形。根据法拉第电磁感应定律，当传感器感应线圈通以高频交流电时，感应线圈周围空间产生交变磁场，该磁场使置于其中的金属体表面产生感应电流，即电涡流。根据楞次定律，金属部件内的电涡流也一种交变电流，其产生的交变磁场与方向与诱导其电涡流产生的磁场方向相反，因此会减弱原有的磁场强度，从而导致感应线圈的阻抗发生变化。感应线圈阻抗的变化程度与金属材料的电阻率、磁导率、感应线圈与金属部件之间的间隙、激励电源频率等有关。当测量电路确定时，感应线圈的阻抗作为线圈与金属部件之间间隙的单值函数，因此可以通过测量感应线圈电压信号的变化反映线圈与金属部件之间的间隙变化。本技术方案，通过采用平面空心线圈结构增加了感应线圈周围磁场强度，提高传感器的灵敏度及分辨率的同时减小了传感器探头尺寸，通过采用耐高温材料及封装工艺解决了电涡流传感器在1000℃以上温度环境中的使用问题。本实施例的技术方案突破了现有电涡流传感器的使用温度上限，在保证传感器分辨率和感应范围的基础上减小探头尺寸，扩大了电涡流传感器的使用范围。

本发明提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头包括平面空心感应线圈和封装所述平面空心感应线圈的封装陶瓷外壳；平面空心感应线圈的材质为表面包裹耐高温绝缘漆的铂丝，且平面空心感应线圈是由所述铂丝在平面内螺旋紧密绕制成的空心圆盘结构，铂丝的两端分别为引线，且引线均伸出所述封装陶瓷外壳外部；封装陶瓷外壳为圆柱形结构，且平面空心感应线圈封装在封装陶瓷外壳内。

平面空心感应线圈的铂丝直径为0.1mm-0.2mm，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为8-15匝；平面空心感应线圈中心的空心部位的直径为1mm。

封装陶瓷外壳的底面直径为10～12mm，高为51mm。

耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头用于高温设备中的部件微小位移测量的应用或用于1000℃以上环境温度中的非接触微小位移测量的应用或用于燃气涡轮环境中的叶片间隙测量的应用。

具体的，本实施方式中的传感器探头的制备方法包括以下步骤：步骤一：平面空心感应线圈的制作：用耐高温绝缘漆喷涂铂丝至完全包裹，待铂丝表面耐高温绝缘漆风干；将中心设有圆孔的第一亚克力平板水平固定，将所述铂丝一端作为内引线由上向下穿过第一亚克力平板的圆孔并固定，铂丝另一端作为外引线留在第一亚克力平板上方；取第二亚克力平板平行固定在第一亚克力平板上方，使第一亚克力平板与第二亚克力平板之间的距离为所述铂丝直径的1～2倍；采用轴垂直穿过第一亚克力平板与第二亚克力平板并固定；将第一亚克力平板与第二亚克力平板之间的铂丝沿轴紧密缠绕，形成平面空心感应线圈；步骤二：平面空心感应线圈的成型：在步骤一中的第一亚克力平板与第二亚克力平板间的平面空心感应线圈上滴胶水，待胶水风干后抽出轴并取下第二亚克力平板，然后取下第一亚克力平板上成型的平面空心感应线圈；步骤三：平面空心感应线圈的封装：将成型的平面空心感应线圈放置在平板上，同时将内径10～12mm、长度5～7cm的管垂直固定在平板上并罩在成型的平面空心感应线圈外，平面空心感应线圈的内引线和外引线从管的上端管口穿出；从管的上端管口倒入5cm高度的陶瓷凝胶后振动排除陶瓷凝胶内气泡，室温干燥8～10小时后倒置，取下平板；从管的下端倒入1mm高度的陶瓷凝胶后振动排除陶瓷凝胶内气泡，室温干燥8～10小时后，放置于120℃高温炉内干燥2～4小时，拆掉所述管，得到封装平面空心感应线圈。具体的，铂丝的直径为0.1mm～0.3mm；第一亚克力平板与第二亚克力平板上的圆孔直径均为1.2～1.4mm，轴的直径为1mm。陶瓷凝胶采用水与陶瓷粉以1:5～1:8的重量比混合并搅拌均匀后形成。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头包括平面空心感应线圈和封装所述平面空心感应线圈的封装陶瓷外壳；平面空心感应线圈的材质为表面包裹耐高温绝缘漆的铂丝，且平面空心感应线圈是由所述铂丝在平面内螺旋紧密绕制成的空心圆盘结构，铂丝的两端分别为引线，且引线均伸出所述封装陶瓷外壳外部；封装陶瓷外壳为圆柱形结构，且平面空心感应线圈封装在封装陶瓷外壳内。

在本实施例中，平面空心感应线圈的铂丝直径为0.1mm，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为8匝；平面空心感应线圈中心的空心部位的直径为1mm。封装陶瓷外壳的底面直径为10～12mm，高为51mm。

实施例2：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为10匝。

实施例3：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为12匝。

实施例4：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为14匝。

实施例5：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为15匝。

实施例6：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，平面空心感应线圈的铂丝直径为0.2mm，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为8匝。

实施例7：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为10匝。

实施例8：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为12匝。

实施例9：

本实施例提供一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，该传感器探头与实施例1中的传感器探头的区别在于，平面空心感应线圈的铂丝直径为0.15mm，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为10匝。

上述实施例的铂丝直径和线圈匝数如下表所示：

表1 各实施例铂丝直径和线圈匝数

实施例	铂丝直径	线圈匝数
			1	0.1mm	8
2	0.1mm	10
			3	0.1mm	12
4	0.1mm	14
			5	0.1mm	15
6	0.2mm	8
			7	0.2mm	10
8	0.2mm	12
			9	0.15mm	10

对比例1：

本对比例与实施例1的区别在于，采用常见的电涡流线圈材料铜丝(不考虑银丝的原因：银熔点为962℃，材料本身无法承受1100℃的高温)，分别制作相同结构的电涡流传感器探头。

对比例2：

本对比例与实施例1的区别在于，采用常见的耐高温材料钨丝(不考虑银丝的原因：银熔点为962℃，材料本身无法承受1100℃的高温)，分别制作相同结构的电涡流传感器探头。

(一)仿真分析和实验测量：

图3为通过仿真分析得到了实施例2(0.1mm线径)、实施例9(0.15mm线径)和实施例7(0.2mm线径)铂丝绕制的10匝线圈的阻抗随距离的变化规律。可以看出，0.1mm-0.2mm线径的线圈阻抗与距离有明显的变化关系，说明了0.1mm-0.2mm线径线圈均能满足微小位移测量的要求。

图4为不同线径线圈的品质因数对比。可以看出，实施例7(0.2mm线径)线圈的品质因数Q明显大于实施例9(0.15mm线径)线圈和实施例2(0.1mm线径)线圈，因此，可以认为实施例7(0.2mm线径)的铂丝是较好的绕线材料。

(二)线圈品质因数、阻抗和电感的测量：

表2列出实施例1-实施例5中，0.1mm线径不同匝数的线圈品质因数、阻抗和电感的测量值。可以看出，实施例1-实施例5中8-15匝的线圈都具有很好的品质因数(>5,对应线圈相角>78°，说明线圈具有良好的感性)，且匝数越大，线圈参数越好。

表.2 不同匝数线圈参数测量值

(二)线圈参数测量

表3对比了不同线径和匝数的线圈参数，可以看出，0.1mm和0.2mm线径线圈的参数都满足电感元件的要求，且0.2mm线径线圈的参数优于0.1mm线径线圈。

表.3 不同线径-匝数线圈参数测量值

该线圈参数的测量为其他应用场合中平面耐高温电涡流传感器的设计加工提供了依据。

(三)特性曲线标定实验：

图5为本发明实施例7的实验结果图，对发明的传感器分辨率和感应量程进行实验验证。为了避免环境波动对传感器特性参数的影响，实验采用传感器输出信号的相对变化量作为标定参数，图5所述V为传感器空载时输出信号，dV为不同间隙下传感器输出信号与空载输出信号之差。参见图5所示，该传感器的感应范围至少可达5mm，在5mm范围内分辨率可达到10μm，满足间隙测量的要求。

图6为本发明实施例6进行标定实验的特性曲线标定结果。该传感器的感应范围至少可达3.5mm，在3.5mm范围内分辨率可达到10μm，满足间隙测量的要求。

(四)高温试验：

对实施例1中的传感器耐温性能进行实验验证。图7为实验中传感器环境温度控制曲线。图8为耐温性实验过程中传感器输出信号曲线。

参见图7所述，实验将300℃-1100℃-300℃作为一次循环，每次循环历时60分钟从300℃升到1100℃，并在1100℃温度下维持120分钟，然后历时40分钟从1100℃降到300℃；一共循环5次。参见图8所述，在各次温度循环中，传感器输出信号随温度的变化规律相同；在1100℃恒温过程中，传感器输出信号保持稳定，说明该传感器探头可以长期在1100℃环境下稳定测量目标距离。

对比例1中的铜丝线圈制作的传感器在不到200℃环境温度就发生了严重的破坏，输出信号波动明显，无法获得有效的电压信号。对比例2中的钨丝线圈的传感器在800℃左右环境温度下发生了明显的氧化反应，钨丝表面被氧化为绿色粉末。图9为一经过高温后的钨丝传感器，线圈部分已经发生不同程度的氧化。综合以上实验结果并考虑加工成本等因素，本发明采用铂丝材料进行传感器制作是最为可取的办法。

Claims (4)

1.一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，其特征在于，该传感器探头包括平面空心感应线圈和封装所述平面空心感应线圈的封装陶瓷外壳；

所述平面空心感应线圈的材质为表面包裹耐高温绝缘漆的铂丝，且平面空心感应线圈是由所述铂丝在平面内螺旋紧密绕制成的空心圆盘结构，铂丝的两端分别为引线，且引线均伸出所述封装陶瓷外壳外部；

所述封装陶瓷外壳为圆柱形结构，且平面空心感应线圈封装在封装陶瓷外壳内。

2.如权利要求1所述的耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，其特征在于，所述平面空心感应线圈的铂丝直径为0.1mm-0.2mm，铂丝在平面内螺旋紧密绕制的匝数为8-15匝；

所述平面空心感应线圈中心的空心部位的直径为1mm。

3.如权利要求1所述的耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头，其特征在于，所述封装陶瓷外壳的底面直径为10～12mm，高为51mm。

4.权利要求1至3任一权利要求所述的耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头用于高温设备中的部件微小位移测量的应用或用于1000℃以上环境温度中的非接触微小位移测量的应用或用于燃气涡轮环境中的叶片间隙测量的应用。

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