CN114413741A - 一种用于药柱应变测量的电涡流传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于药柱应变测量的电涡流传感器及测量方法，电涡流传感器埋入药柱内部，包括探头线圈、振荡源、检测电路、供电电源及信号处理电路；供电电源为振荡源、检测电路及信号处理电路供电；振荡源产生交流信号，检测电路检测探头线圈的感抗变化，感抗变化量经过信号处理电路变换放大成相应电压变化信号后输出。本发明能够进行应变的定量测量，且准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及药柱应变测量技术领域，具体涉及一种用于药柱应变测量的电涡流传感器及测量方法。
背景技术
固体火箭发动机的寿命主要取决于药柱的寿命，而药柱的寿命主要取决于药柱结构的完整性。药柱被包裹在固体火箭发动机的壳体内部，一种粘弹性材料，当固体火箭发动机内部药柱发生微小应变变化时，药柱表面，或与空气相接处的地方会变硬、发黑，会出现裂纹，经过长时间的储存，在粘接面可能会出现分子迁移的现象，在药柱与衬层之间约10mm厚的地方可能形成空穴。这些问题都将严重影响药柱的结构完整性，进而影响固体火箭发动机的性能和寿命，成为安全隐患。因此，监测固体火箭发动机内部药柱的应变对于保障固体火箭发动机的可靠性具有重要的意义。
对于固体火箭发动机药柱内部应力的分布大小，可以采用冲击响应谱法模拟固体火箭发动机受到的外界冲击载荷，分析内部药柱的受力变形，得到在药柱的中部受力和变形最大，优先对该部分应变变化量进行测量，可以提前对药柱内部的结构完整性做出精确预测，适时地对固体火箭发动机进行维修和保护，大程度减少由于药柱结构问题而引起的固体火箭发动机无法正常工作的问题。
目前针对固体火箭发动机内部药柱移动应变测量的问题，国内某所在盖层(人工脱粘层)附近预埋入压阻应变传感器进行检测，效果不太理想；某高校使用聚合物光纤进行测试，在测试过程中，药柱内部压力过大，将光纤拉断。以上方法大都是对固体火箭发动机在工作状态(承受高过载作用)下的应力分析或者采用表面贴装传感器的测试方法，表面贴装传感器的测试方法只能进行应变的定性测量，无法进行定量测量，即通过比对传感器输出与其初始状态下的输出的区别来判断测试部位是否产生了应变。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于药柱应变测量的电涡流传感器及测量方法，能够进行应变的定量测量，且准确性高。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于药柱应变测量的电涡流传感器，所述电涡流传感器埋入药柱内部，包括探头线圈、振荡源、检测电路、供电电源及信号处理电路；
供电电源为振荡源、检测电路及信号处理电路供电；振荡源产生交流信号，检测电路检测探头线圈的感抗变化，感抗变化量经过信号处理电路变换放大成相应电压变化信号后输出。
进一步地，所述振荡源采用克拉波电容三点式振荡电路。
进一步地，探头线圈与电容组成振荡电路，所述振荡电路与前端的振荡源之间设置电压跟随器与放大器。
进一步地，所述探头线圈为PCB线圈。
进一步地，所述信号处理电路包括滤波电路、放大电路和整流电路；电压信号通过半波整流和反相叠加后输出。
一种药柱应变测量方法，采用上述的电涡流传感器，将电涡流传感器与金属导体分别设置在假药试块的相对两侧面；所述假药试块采用药柱材质；电涡流传感器、金属导体与假药试块一同埋入药柱；所述电涡流传感器将应变量转化为电压输出，得出假药试块的应变量，即药柱应变量。
进一步地，电涡流传感器的探头线圈与金属导体之间的距离设定在10mm以内。
进一步地，使用前对所述电涡流传感器标定，通过调节探头线圈和金属导体之间的距离，测量输出电压值及此时的应变量，记录电涡流传感的输出电压与测量距离的变化曲线，得到输出电压与测量距离的拟合曲线对应函数关系式。
进一步地，将探头线圈固定在仅左右移动的螺旋调距的测量臂上，金属导体固定在机座上，利用测量臂调节探头线圈和金属导体之间的距离，达到设定值后使用假药试块填充。
有益效果：
1、本发明将传感器埋入药柱的内部进行应变测量，通过MUTISIM仿真软件进行电路仿真，通过电感变化来模拟线圈的应变变化，实现电感变化量到电压变化量的转换，能够进行应变的定量测量，且准确性高。
2、本发明使用克拉波电容三点式振荡电路作为振荡源，其电路稳定性相比西勒振荡电路较高，且振荡频率可以进行调节。
3、本发明增加了电压跟随器与放大器，使得振荡源满足稳定输出电压和频率的要求。
附图说明
图1为电涡流传感器的组成示意图。
图2为电容三点式振荡源电路图。
图3为电容三点式交流通路电路图。
图4为带通滤波电路图。
图5为信号放大和整流电路图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种用于药柱应变测量的电涡流传感器，电涡流传感器的工作原理是电磁感应。根据法拉第电磁感应原理，块状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(与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流)，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，根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。该电涡流传感器埋入药柱内部，通过延伸电缆将信号传输出去，如图1所示，包括探头线圈、振荡源、检测电路、供电电源及信号处理电路；振荡源、检测电路、供电电源及信号处理电路称为前置器。
振荡源采用克拉波电容三点式振荡电路，如图2所示。电容三点式较电感三点式来说，反馈电压中的高次谐波分量部分小，所以输出波形更好，接近于正弦波，可以更好地分析电路性能。晶振具有稳定的输出电压和输出频率，其原理电路为电容三点式振荡电路，但是晶振产生的信号为方波信号，且幅值和频率一般比较低，如果直接使用电容三点式振荡电路，则输出会变得不稳定。为此，对于传统使用的克拉波电路，本实施例添加了部分电路，使得振荡源满足稳定输出电压和频率的要求。探头线圈与电容组成振荡电路，该振荡电路与前端的振荡源之间设置电压跟随器与放大器。
电容三点式振荡电路若要振荡，必须满足幅值条件以及相位条件。
1)幅值条件：|AFV|≥1,其中A为三极管放大倍数，FV为反馈系数；
2)相位条件：
其中
为输入电压相位，
为反馈电压相位(射同基反)。
为了求得放大倍数A以及反馈系数FV，需要对其交流通路进行分析，由于直接对电路进行交流通路分析较困难，故采用工程估算法分析其交流通路。
探头线圈为PCB线圈，如图3所示，PCB线圈的电感L2发生变化时，LC振荡回路相当于并入振荡源的振荡电路，当L2电感变化时，即改变了前端振荡源的振荡电路的振荡频率，那么C4，C9产生的反馈电压不断地通过正反馈流向基级，基级电流不断增大，放大作用同时使集电极电流不断地放大，直到电流饱和，振荡回路对三极管产生的电压具有选频作用，回路振荡频率改变时，会产生一个新的谐振频率以维持回路振荡，由于阻抗的变化，电路输出电压也会改变，则可以通过测量电压变化，找到一个电感变化引起电压变化的关系。
如图4、图5所示，信号处理电路包括带通滤波电路、放大电路和整流电路；电压信号通过半波整流和反相叠加后输出。
使用变压器作为放大电路，一个作用是为了将电压信号放大，另一个作用是为了使后端电路与前端振荡源电路隔开，避免产生影响。
整流滤波电路采用型号为AD8066AR的放大器，从负载输出振荡电压之后，经过电压跟随器U7，进入整流滤波电路部分。该部分由半波整流和反相叠加组成，工作原理如下：
1)半波整流
当输入振荡电压是正电压时，U5的输入端2引脚输入为正，所以U5的输出电压小于零，此时二极管D2导通、D1截止。此时R21、R10、U5构成反向比例放大电路，其输出电压为
式中，R21＝10K，R10＝10K，那么可得
U5O＝-U5i
当输入振荡电压是负电压时，U5的输入端2引脚输入为负，所以U5的输出电压大于零，此时二极管D1导通、D2截止。此时，电压不再被放大，由放大器的虚短和虚断可知，振荡电压经由R10、R25流入地，那么可得：
U5O＝0
输入电压为正时，输出电压取反相；输入电压为负时，输出电压为零，振荡信号至此实现了半波整流。
2)反相叠加
R22、R23、R24和U6组成了反相加法器，U6输出电压可表示为：
式中，R24＝R22，R24＝2R23可得：
U6O＝-U5i-2U5O
①当输入振荡电压是正电压时：U6O＝U5i，即等量同向输出。
②当输入振荡电压是负电压时：U6O＝-U5i，即等量反向输出。
故在整个周期内，实现了信号的交流整流。
进行药柱应变测量时，使用前需要对传感器重新标定，通过调节探头线圈和金属导体之间的距离，测量输出电压值及此时的应变量，记录电涡流传感的输出电压与测量距离的变化曲线，得到输出电压与测量距离的拟合曲线对应函数关系式。
然后，将电涡流传感器与金属导体分别设置在假药试块的相对两侧面；假药试块采用药柱材质；具体地，将探头线圈固定在仅左右移动的螺旋调距的测量臂上，金属导体固定在机座上，利用测量臂调节探头线圈和金属导体之间的距离，达到设定值后使用假药试块填充。由于振荡源产生的交流信号很微弱，因此需要进行信号放大，金属导体和传感器探头线圈之间的距离应保持在10mm以内。
将电涡流传感器、金属导体与假药试块一同埋入药柱。
当药柱内部发生应变变化时，假药试块发生近乎相等的应变量，该应变量可转化为电路输出电压进行测量，进而可得出假药试块的应变量。
即振荡源产生交流信号，检测电路检测探头线圈的感抗变化，感抗变化量经过信号处理电路变换放大成相应电压变化信号后输出，得出假药试块的应变量，即药柱应变量。之后经监测仪器进行转换，根据测量的要求可以将其输出电压的直流部分用作位移量的检测，交流部分用作振动量的检测。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (9)
1.一种用于药柱应变测量的电涡流传感器，其特征在于，所述电涡流传感器埋入药柱内部，包括探头线圈、振荡源、检测电路、供电电源及信号处理电路；
供电电源为振荡源、检测电路及信号处理电路供电；振荡源产生交流信号，检测电路检测探头线圈的感抗变化，感抗变化量经过信号处理电路变换放大成相应电压变化信号后输出。
2.如权利要求1所述的用于药柱应变测量的电涡流传感器，其特征在于，所述振荡源采用克拉波电容三点式振荡电路。
3.如权利要求2所述的用于药柱应变测量的电涡流传感器，其特征在于，探头线圈与电容组成振荡电路，所述振荡电路与前端的振荡源之间设置电压跟随器与放大器。
4.如权利要求1所述的用于药柱应变测量的电涡流传感器，其特征在于，所述探头线圈为PCB线圈。
5.如权利要求1-4任意一项所述的用于药柱应变测量的电涡流传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括滤波电路、放大电路和整流电路；电压信号通过半波整流和反相叠加后输出。
6.一种药柱应变测量方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的电涡流传感器，将电涡流传感器与金属导体分别设置在假药试块的相对两侧面；所述假药试块采用药柱材质；电涡流传感器、金属导体与假药试块一同埋入药柱；所述电涡流传感器将应变量转化为电压输出，得出假药试块的应变量，即药柱应变量。
7.如权利要求6所述的药柱应变测量方法，其特征在于，电涡流传感器的探头线圈与金属导体之间的距离设定在10mm以内。
8.如权利要求6所述的药柱应变测量方法，其特征在于，使用前对所述电涡流传感器标定，通过调节探头线圈和金属导体之间的距离，测量输出电压值及此时的应变量，记录电涡流传感的输出电压与测量距离的变化曲线，得到输出电压与测量距离的拟合曲线对应函数关系式。
9.如权利要求6-8任意一项所述的药柱应变测量方法，其特征在于，将探头线圈固定在仅左右移动的螺旋调距的测量臂上，金属导体固定在机座上，利用测量臂调节探头线圈和金属导体之间的距离，达到设定值后使用假药试块填充。
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