CN112797885A - 一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，公开了一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，包括探头组件、外壳组件和高温同轴电缆组件。探头组件包括激励和检测线圈、温度补偿线圈和低温共烧陶瓷基体。外壳组件包括上壳体和下壳体，上壳体固定温度补偿线圈，下壳体固定激励和检测线圈，两者通过螺栓连接。高温同轴电缆通过压接的方式与探头组件的表面电极连接，通过高温胶和上壳体的通孔固定。本发明的高温电涡流位移传感器为解决传统电涡流传感器在高于600℃的情况下线性度太低、温度漂移太大等无法准确测量的问题。

Description

一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器

技术领域

本发明属于高温等恶劣环境下的电涡流位移测量技术领域，具体涉及一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器。

背景技术

20世纪80年代开始，世界各国的航空航天事业快速发展，但随之也带来了巨大的安全问题。综合分析各类飞行事故的众多机械因素，发动机的故障是其主要问题。航空发动机是高速旋转型机械，由于其长期工作在高温、高压、高速、大载荷和剧烈振动的复杂工况环境中，容易发生疲劳裂纹扩展和严重磨损，其安全性和稳定性严重制约着航空事业的发展。无论是在发动机零部件早期制造的筛选过程，还是对运行状态的监测和故障诊断中，都离不开精准的无损位移检测系统。航空航天领域对无损检测有着十分严格的要求，这促进了无损检测技术的快速发展和应用。

电涡流位移传感器具有结构简单、抗干扰力强、测量灵敏度高、响应速度快、长期工作可靠性好等优点，广泛应用于航空航天、石油化工、电力、冶金和船舶等关系国防安全和国家重大生产领域。对于航空发动机、燃气轮机、蒸汽轮机、涡轮增压器等机械系统，其工作环境非常恶劣，叶片的运动也很复杂，通过检测早期损坏特征来避免重大事故发生十分必要。虽然市场上已有很多成熟的位移传感器产品，但是普遍存在以下问题：1)探头一致性差，检测信号容易受环境因素影响，线性度变差；2)工作温度一般限于200℃以下，无法满足高温环境测量的要求；3)温度漂移大，检测信号容易受环境温度的影响导致测量结果不准确；4)灵敏度和线性测量范围存在矛盾，传感器的通用性较低。

发明内容

为解决高温(600℃)下电涡流传感器线性度差、品质因数低和温度漂移大等测量不准确的缺陷和不足，本发明提出一种新型的高温电涡流传感器的结构和设计方法，实现其在高温环境下对振动、位移的准确测量。

本发明的技术方案：

一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，包括探头组件、外壳组件和高温同轴电缆结构；

探头组件包括激励和检测线圈1、温度补偿线圈7和低温共烧陶瓷基体3，激励和检测线圈1是通过在陶瓷基片上印刷导体，并将多层陶瓷基片层压烧结得到的；激励和检测线圈1和温度补偿线圈7分别位于探头组件两端，二者通过低温共烧陶瓷3烧结连接；

外壳组件包括上壳体8和下壳体5，二者通过螺栓连接成的空腔的截面为“十”字型；上壳体8的凹槽内固定温度补偿线圈7，下壳体5的凹槽内激励和检测线圈1；高温同轴电缆6一端通过压接的方式与激励和检测线圈1、温度补偿线圈7上的表面电极2连接，其另一端从上壳体8的通孔伸出与前置器连接，通过内部灌高温胶4实现固定；外壳组件内的空腔处填充有高温胶4；

所述的激励和检测线圈1和温度补偿线圈7的各层导体电路通过填充银浆的通孔连接，为保证电流从顶层到底层流向同为逆时针方向，奇数层的通孔位置在中间，偶数层的通孔位置在线圈外部；为保证电路从底层到顶层的连接，各层通孔均在同一相对位置；

为保证电气连接的可靠性和稳定性，各层通孔的尺寸一致且与线圈的线径相同，层间的电极尺寸略大于通孔尺寸。

温度补偿线圈7的结构与激励和检测线圈1的结构相同，关于探头组件中部对称，温度补偿线圈7的结构与激励和检测线圈1组成差动对称结构。

激励和检测线圈1和温度补偿线圈7的单层结构为逆时针多匝线圈，线圈形状为矩形，采用空气芯作为磁芯，整体结构为空间立体螺旋结构，线圈几何参数通过多目标遗传算法和电磁仿真确定；

为防止温度补偿线圈(7)的表面电路受压力、磨损等发生故障，在表面增加相同尺寸的2～6层的空白陶瓷基体并层压烧结，保护电路结构。

激励和检测线圈1和温度补偿线圈7的材料为电导率高、熔点低的金属银，顶层线圈表面镀金。

所述的激励和检测线圈1位于探头组件的顶部，是通过在低温共烧陶瓷3表面印刷导体银，将多层陶瓷基片按顺序叠片、层压和烧结得到的；

所述的探头组件中间的低温共烧陶瓷3厚度由温度补偿线圈7与激励和检测线圈1的磁场耦合程度决定，最小厚度为温度补偿线圈7产生的电磁场不影响检测线圈的检测信号。

所述探头组件中间的低温共烧陶瓷3和温度补偿线圈7的外部尺寸比检测激励和检测线圈1的尺寸小，便于高温同轴电缆6的连接和伸出。

为了保护生瓷片表面的银导体，防止在高温下被氧化，在线圈外表面化学镀一定厚度的金膜层。化学镀具有镀层均匀、能耗小、不需直流设备等优点。

探头组件基体材料选择耐高温、高频和高速传输、低介电损耗的低温共烧陶瓷，在一定的温度和压力下烧结形成一定厚度的陶瓷基体。

所述外壳组件的材料为高温氧化铝陶瓷，可以避免外壳对探头产生的磁场有影响，探头组件安装在下壳体中，下壳体起到承载和固定探头的作用。

所述外壳组件的上壳体通过螺栓连接与下壳体固定，上壳体的内部与温度补偿线圈紧密接触实现固定。

所述上壳体与下壳体形成的空腔部分填充无机高温胶，既可以增强同轴电缆与线圈电极结构的连接性能，又能使壳体密封避免油污粉尘等污染物进入壳体。

激励电源和检测电路通过高温同轴电缆对激励和检测线圈施加正弦激励信号和接收检测信号。

所述的高温电涡流传感器可用于高温高压、大载荷和剧烈振动的复杂恶劣环境中，例如测量航空发动机转子的径向位移、高温磁悬浮轴承的微小位移以及发电机组的转子相对于汽缸的膨胀量等。

本发明的有益效果：

(Ⅰ)本发明选择低温共烧陶瓷和银作为探头材料，制作工艺简单，可靠性高，能够长期适用于高温环境(600℃)下对位移的测量，而且保证了传感器的大量程、高品质因数和高灵敏度。

(Ⅱ)本发明采用平面空心感应线圈结构，避免了温度超过居里点温度时磁芯电磁感应失效的问题，同时消除了温度变化对磁芯材料电磁特性的影响。

(Ⅲ)本发明在探头组件中增加一个温度补偿线圈，能够有效地减小温度漂移对检测信号的影响，保证了传感器在温度剧烈变化的环境中测量的准确性。

(Ⅳ)本发明采用耐高温陶瓷和高温无机胶作为封装结构的材料，既保证了探头组件和高温同轴电缆的结构和位置，避免高温热膨胀对检测信号的影响，同时又防止环境中的腐蚀介质对线圈的氧化破坏，不影响感应探头产生的电磁场。

附图说明

图1是本发明所述高温电涡流传感器的整体结构示意图；

图2是本发明所述探头组件顶层线圈和电极结构示意图；

图3是本发明所述激励和检测线圈的三维结构示意图；

图4(a)是本发明所述低温共烧陶瓷基体连接通孔的一种结构示意图；

图4(b)是本发明所述低温共烧陶瓷基体连接通孔的另一种结构示意图；

图5是本发明所述封装外壳的结构示意图。

图中：1激励和检测线圈；2表面电极；3低温共烧陶瓷；4高温胶；5下壳体；6高温同轴电缆；7温度补偿线圈；8上壳体。

具体实施方式

本发明针对高温高压、大载荷和剧烈振动的复杂恶劣环境中位移测量问题提出一种高温电涡流传感器结构的设计方法，采用低介电损耗和热膨胀率的低温共烧陶瓷和高电导率的银作为探头组件的材料，保证了传感器的高灵敏度和分辨率、高品质因数以及在高温(600℃)环境下测量的可靠性和准确性。

为解决传统电涡流不能适应高温环境的技术问题，本发明提出以下技术方案：

结合图1所示，一种高温电涡流位移传感器，包括探头组件、外壳组件和高温同轴电缆结构。探头组件包括激励和检测线圈、温度补偿线圈和低温共烧陶瓷基体，激励和检测线圈是通过在陶瓷基片上印刷导体，并将多层基片层压烧结得到的，两个线圈的位置分别在探头组件两端，都通过与低温共烧陶瓷烧结连接。外壳组件包括上壳体和下壳体，上壳体固定温度补偿线圈，下壳体固定激励和检测线圈，两者通过螺栓连接。高温同轴电缆通过压接的方式与探头组件的表面电极连接，通过高温胶和上壳体的引线通孔固定。

根据电磁场和热场的多物理场耦合仿真确定激励源的频率和电压，确定灵敏度和线性测量范围为优化目标，采用多目标遗传算法计算得到线圈最优的结构形状和几何参数(匝数、线宽、间距、外径等)。

结合图2、图3所示，激励和检测线圈位于探头组件的顶部，共有8层。单层结构为逆时针多匝线圈(18匝)，在1-7层相应的位置打通孔，然后灌银浆保证上下层能够连通，根据确定的外径、线宽和间距在低温共烧陶瓷表面印刷一定厚度的导体银，将8层陶瓷基片按次序叠片、层压，在一定的温度和压力下烧结得到具有三维结构的线圈和致密可靠的陶瓷基体。

结合图1所示，为了方便同轴电缆的连接和伸出，探头承载基体和补偿线圈基体尺寸略小于激励线圈基体尺寸。两个线圈分别在探头组件的两端，为了使二者产生的电磁场互不影响，需要在探头组件中间增加没有导体的陶瓷基体，空白基体厚度由两个线圈的电磁场耦合程度决定。

结合图1所示，为了外壳结构不影响感应线圈产生的电磁场分布，采用高温氧化铝陶瓷作为外壳材料，探头组件安装在下壳体中，下壳体起到承载和固定探头的作用。上壳体通过螺栓连接与下壳体固定，上壳体的顶部和内圈与温度补偿线圈紧密接触实现固定。

由于传感器在高温(600℃)环境下使用，锡焊不能满足高温同轴电缆和电极的连接，因此采用机械压接的形式实现电气连接。为了防止探头表面的线圈和电极结构发生氧化，在顶层导体表面镀金处理。

将探头组件安装在下壳体中，使高温同轴电缆一端与电极结构压接，另一端通过上壳体的引线孔伸出。在上壳体与下壳体形成的空腔部分填充无机高温胶并固化，既可以增强同轴电缆与线圈电极结构的连接性能，又能使壳体密封避免油污粉尘等污染物进入壳体。

以上所述仅是为了便于理解本发明而采用的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例。对于任何本发明技术领域的技术人员，在不脱离本发明的原理和范围的前提下，对于具体实施方式细节上的若干修改和润饰，仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，该用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器包括探头组件、外壳组件和高温同轴电缆结构；

探头组件包括激励和检测线圈(1)、温度补偿线圈(7)和低温共烧陶瓷基体(3)，激励和检测线圈(1)是通过在陶瓷基片上印刷导体，并将多层陶瓷基片层压烧结得到的；激励和检测线圈(1)和温度补偿线圈(7)分别位于探头组件两端，二者通过低温共烧陶瓷基体(3)烧结连接；

外壳组件包括上壳体(8)和下壳体(5)，二者通过螺栓连接成的空腔的截面为“十”字型；上壳体(8)的凹槽内固定温度补偿线圈(7)，下壳体(5)的凹槽内激励和检测线圈(1)；高温同轴电缆(6)一端通过压接的方式与激励和检测线圈(1)、温度补偿线圈(7)上的表面电极(2)连接，其另一端从上壳体(8)的通孔伸出与前置器连接，通过内部灌高温胶(4)实现固定；外壳组件内的空腔处填充有高温胶(4)。

2.根据权利要求1所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述的激励和检测线圈(1)和温度补偿线圈(7)的各层导体电路通过填充银浆的通孔连接，为保证电流从顶层到底层流向同为逆时针方向，奇数层的通孔位置在中间，偶数层的通孔位置在线圈外部；为保证电路从底层到顶层的连接，各层通孔均在同一相对位置；

为保证电气连接的可靠性和稳定性，各层通孔的尺寸一致且与线圈的线径相同，层间的电极尺寸大于通孔尺寸；

温度补偿线圈(7)的结构与激励和检测线圈(1)的结构相同，关于探头组件中部对称，温度补偿线圈(7)的结构与激励和检测线圈(1)组成差动对称结构；

激励和检测线圈(1)和温度补偿线圈(7)的单层结构为逆时针多匝方形线圈，空气芯作为磁芯保证高精度和耐高温，整体结构为空间立体螺旋结构，线圈几何参数通过多目标遗传算法和电磁仿真确定；

为防止温度补偿线圈(7)的表面电路发生故障，在表面增加相同尺寸的2～6层的空白陶瓷基体并层压烧结，保护电路结构；

激励和检测线圈(1)和的材料为电导率高、熔点低的金属银，顶层线圈表面镀金。

3.根据权利要求1或2所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述的激励和检测线圈(1)位于探头组件的顶部，是通过在低温共烧陶瓷(3)表面印刷导体银，将多层陶瓷基片按顺序叠片、层压和烧结得到的。

4.根据权利要求1或2所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述的探头组件中间的低温共烧陶瓷(3)厚度由温度补偿线圈(7)与激励和检测线圈(1)的磁场耦合程度决定，最小厚度为温度补偿线圈(7)产生的电磁场不影响检测线圈的检测信号。

5.根据权利要求3所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述的探头组件中间的低温共烧陶瓷(3)厚度由温度补偿线圈(7)与激励和检测线圈(1)的磁场耦合程度决定，最小厚度为温度补偿线圈(7)产生的电磁场不影响检测线圈的检测信号。

6.根据权利要求1、2或5所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述探头组件中间的低温共烧陶瓷(3)和温度补偿线圈(7)的外部尺寸比检测激励和检测线圈(1)的尺寸小，便于高温同轴电缆(6)的连接和伸出。

7.根据权利要求3所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述探头组件中间的低温共烧陶瓷(3)和温度补偿线圈(7)的外部尺寸比检测激励和检测线圈(1)的尺寸小，便于高温同轴电缆(6)的连接和伸出。

8.根据权利要求4所述的用于恶劣环境的高温电涡流位移传感器，其特征在于，所述探头组件中间的低温共烧陶瓷(3)和温度补偿线圈(7)的外部尺寸比检测激励和检测线圈(1)的尺寸小，便于高温同轴电缆(6)的连接和伸出。

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