CN114577105A - 一种基于电涡流原理的电机位移传感器 - Google Patents

一种基于电涡流原理的电机位移传感器 Download PDF

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张诗博
胡文婧
甘强
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Abstract

本发明公开了一种基于电涡流原理的电机位移传感器，涉及位移传感器技术领域，现提出如下方案，其包括传感器的探头、延伸电缆和前置器三个部分，所述探头通过延伸电缆与前置器相连接，探头检测端靠近被测体，所述探头的前端设置有探头线圈，所述探头是在探头骨架上由漆包铜线绕制而成的，由于探头线圈电磁特性的需求，探头骨架是由聚四氟乙烯材料制成，探头线圈装在由不锈钢制成的壳体内，作为连接传感器探头与前置器的延伸电缆则是耐高温的射频电缆。本发明传感器的设计主要是基于电涡流原理，同时利用了谐振电路和差分电路来提高抗干扰性，通过滤波、线性补偿对测量的结果进行进一步处理，现有技术大多都无法满足这些较为复杂的检测需求。

Description

一种基于电涡流原理的电机位移传感器
技术领域
本发明涉及位移传感器技术领域，尤其涉及一种基于电涡流原理的电机位移传感器。
背景技术
现实生活中电涡流原理应用极为广泛，主要侧重于其热效应(如电磁炉)，而电涡流原理不仅有加热效应还可以应用在检测领域。电涡流检测技术是以电磁感应原理为基础的新兴检测技术,电涡流传感器是基于该检测技术而成的传感器。与传统的位移测距传感器相比，电涡流传感器具有非接触测距、无污染、效率高、性能好等优点，因此拥有广阔的发展前景。
其基本原理是：通过等效思想建立的线圈与被测导体的耦合电路可知，给探测线圈施加高频交流电，线圈产生变化的交变磁场，并在金属导体中激发感应电流(电涡流)。电涡流的交变磁场与线圈的交变磁场产生抵消效果，当线圈与导体间的距离发生变化，对应线圈的电感、电阻发生变化。因此只要控制线圈自身性质不变，则由涡流效应所引起的线圈阻抗的变化将成为电涡流效应变化过程中的单值变量，从而实现测量位移。
现有技术方案：国外对涡流传感器的研究比较早，其技术、工艺等都比较成熟，许多厂家拥有着非常成熟的技术。目前国际上制造电涡流传感器的厂家首推美国的Bently公司，此外还有德国的米铱(Micro-Epsilon)、贺德克(Hydac)、瑞士的Wabrometer、日本的欧姆龙(Omron)等，其中性能最高的当属美国Bently公司的产品。美国通用能源集团本特利内华达公司研制了3300、3300XL系列涡流传感器。3300XL系列传感器系统表现出色，其特点是使用寿命长，并且能在各种严酷环境中的变现卓越。德国米铱公司研制了非接触位移传感器eddy NCDT系列，可用于对所有金属材料的测量，无论铁磁材料还是非铁磁材料,测量过程无磨损，不对被测物体施加任何外力，且其独有的温度补偿技术极大地消除了电涡流位移传感器温度漂移缺陷，达到了极高的温度稳定性。
除了各大厂商对电涡流传感器进行了大量研究外，一些科研人员也对电涡流传感器技术的发展与改进做了大量研究，其成果也有很多，例如光栅式涡流位移传感器(GECDS)、圆形阵列涡流无损检测传感器、高灵敏度脉冲涡流(PEC)仪器等。
现有技术的缺点：目前技术条件下的电涡流位移传感器主要测量较为明显的位移变化，进行输入信号幅值以及相位的简单提取，若将此类传感器应用在测量电机转子的径向偏移量，其对于微小位移的测量精度和灵敏度均达不到要求，电涡流测距的最终目的是实现对于电机转子位置的调控，独立的测量结果并不具有实际意义，重点是对测量的结果进行进一步处理(如滤波、线性补偿等)，现有技术大多都无法满足这些较为复杂的检测需求。
发明内容
本发明提出的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，解决了上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于电涡流原理的电机位移传感器，包括传感器的探头、延伸电缆和前置器三个部分，所述探头通过延伸电缆与前置器相连接，探头检测端靠近被测体，所述探头的前端设置有探头线圈，所述探头是在探头骨架上由漆包铜线绕制而成的，由于探头线圈电磁特性的需求，探头骨架是由聚四氟乙烯材料制成，探头线圈装在由不锈钢制成的壳体内，作为连接传感器探头与前置器的延伸电缆则是耐高温的射频电缆，前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，其中装有测量电路，并用环氧树脂灌封。
优选地，所述被测体靠近探头一侧的表面具有涡流，所述涡流和探头线圈之间具有磁通量。
优选地，所述前置器包括振荡器、检测电路和放大器，所述振荡器与延伸电缆相连接，且振荡器、检测电路和放大器依次电性连接，所述前置器内还设有线性补偿电路。
优选地，所述探头线圈即线圈L，当线圈L中通有高频交变电流I1时会在线圈周围产生交变磁场H1，交变磁场H1将在附近金属导体的被测体中产生电涡流I2，同时产生交变磁场H2，且H2与H1的方向相反，由于交变磁场H2对交变磁场H1有反作用，使得线圈中电流I1的大小和相位均发生变化，即会引起线圈中的等效阻抗发生变化。
优选地，所述传感器与被测体的等效电路中，推得电压平衡方程组如下：
Figure BDA0003578081680000031
由式(2-1)解得I1和I2分别为：
Figure BDA0003578081680000041
由此可以得到传感器线圈受金属导体影响后的等效阻抗为：
Figure BDA0003578081680000042
传感器线圈的等效电阻R和等效电感L分别为：
Figure BDA0003578081680000043
Figure BDA0003578081680000044
传感器线圈的品质因数Q为：
Figure BDA0003578081680000045
由于电涡流的影响，传感器线圈的电阻由原来的R1变为R,电感由L1变为L,电涡流使线圈的电阻增加、电感减小,同时，电涡流会导致传感器线圈品质因数降低。
优选地，所述检测电路包括晶体振荡器、线圈检测电路、放大器、检波电路和滤波器，所述晶体振荡器、线圈检测电路、放大器、检波电路和滤波器依次电性连接。
优选地，所述检测电路中采用谐振电路，在单个传感器线圈测量条件下，直接测量传感器线圈两端电压信号，为减少环境因素的影响，使用两个传感器线圈安装在被测体移动方向的两边，进行差分测量，检测电路通过测量两线圈两端电压的差分信号，以提高传感器灵敏度。
优选地，所述放大器为差动放大电路，通过高输入阻抗减少信号源内阻的影响，高共模抑制比CMRR减少信号工频干扰及所测量的参数以外的作用的干扰。
本发明的有益效果为：
1、电涡流传感器相比其他类型的测距传感器特点更加鲜明：(1)电涡流传感器采用电流直接驱动，操纵响应时间非常短；(2)性能强劲，在线性度，分辨度，抗干扰力以及精度等方面的优势显著；
2、本发明中所设计的集成整合调理电路的前置器也有相较于现有技术的明显优越性，前置器中装有测量电路，并用环氧树脂灌封，能够屏蔽外界干扰信号；
3、测量电路中传感器线圈与谐振电容C组成一个谐振体，传感器检测电路测量谐振体两端电压信号，能有效提高传感器的灵敏度；
4、两个传感器线圈分别安装在被测体移动方向的两边并进行差分测量，外界环境对测量结果造成的影响能有效地被差分检测电路抵消，使传感器的抗干扰性、灵敏性得到显著增强；
5、滤波保证输出结果的平稳可靠，抑制谐波与尖脉冲的影响；
6、线性补偿使得输出结果保持良好的线性特性，便于测量及调整。
综上所述，传感器的设计主要是基于电涡流原理，同时利用了谐振电路和差分电路来提高抗干扰性，通过滤波、线性补偿对测量的结果进行进一步处理，现有技术大多都无法满足这些较为复杂的检测需求。
附图说明
图1为本发明的电涡流传感器外部结构示意图。
图2为本发明的电涡流传感器结构示意图。
图3为本发明的电涡流传感器检测原理简化图。
图4为本发明的电涡流传感器与被测体的等效电路图。
图5为本发明的传感器检测原理图。
图6为本发明的电涡流传感器单个线圈测量电路图。
图7为本发明的电涡流传感器差分检测电路图。
图8为本发明的电涡流传感器检测电路图。
图9为本发明的差动放大电路图。
图10为本发明的滤波电路以及积分电路。
图中标号：1、探头；101、探头线圈；102、磁通量；103、涡流；2、延伸电缆；3、前置器；4、被测体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1，图2所示，一种基于电涡流原理的电机位移传感器，包括，探头1、延伸电缆2和前置器3三个部分，传感器的探头1是在探头骨架上由漆包铜线绕制而成的，由于探头线圈101电磁特性的需求，探头骨架是由损耗小、热膨胀系数小、电性能好的聚四氟乙烯材料制成，探头线圈101不是裸露在外的，而是装在由不锈钢制成的壳体内，一方面可用于固定传感器的头部，另一方面也可以并作为测试时的夹装结构，作为连接传感器探头1与前置器3的延伸电缆2则是耐高温的射频电缆，前置器3是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，其中装有测量电路，并用环氧树脂灌封。
如图3所示，探头线圈101即线圈L，当线圈L中通有高频交变电流I1时会在线圈周围产生交变磁场H1，交变磁场H1将在附近金属导体(被测体4)中产生电涡流I2，同时产生交变磁场H2，且H2与H1的方向相反，因为交变磁场H2对交变磁场H1有反作用，使得线圈中电流I1的大小和相位均发生变化，即会引起线圈中的等效阻抗发生变化，其等效电路如图3所示。
如图4所示，为电涡流传感器与被测体4的等效电路图，由该等效电路，推得电压平衡方程组如下：
Figure BDA0003578081680000071
由式(2-1)解得I1和I2分别为：
Figure BDA0003578081680000072
由此可以得到传感器线圈受金属导体影响后的等效阻抗为：
Figure BDA0003578081680000073
传感器线圈的等效电阻R和等效电感L分别为：
Figure BDA0003578081680000081
Figure BDA0003578081680000082
传感器线圈的品质因数Q为：
Figure BDA0003578081680000083
由于电涡流的影响，传感器线圈的电阻由原来的R1变为R,电感由L1变为L,电涡流使线圈的电阻增加、电感减小,同时，电涡流会导致传感器线圈品质因数降低。
传感器线圈与被测金属间电涡流效应不仅与金属导体电阻率ρ、磁导率μ及其尺寸有关，又与线圈的激励频率f以及线圈几何形状有关，还与线圈到金属导体间距离d有关。
如图5所示，传感器检测电路包括依次连接的晶体振荡器、线圈检测电路、放大器、检波电路和滤波器，线圈检测电路主要采用谐振电路，以下主要介绍谐振电路原理：
在单个传感器线圈测量条件下，可以直接测量传感器线圈两端电压信号，如图6所示：
但是单个传感器线圈测量条件下，环境因素对传感器的影响不容忽视，甚至能导致传感器的测量结果偏差很大，例如环境温度变化、激励信号的幅值与频率波动、外界电磁场的干扰等。
为减少环境因素的影响，使用两个传感器线圈安装在被测体4移动方向的两边，进行差分测量是一种非常有效的手段，如图7所示：
检测电路通过测量两线圈两端电压的差分信号，可以明显提高传感器灵敏度，使用两个线圈差分测量金属导体位移时，外界环境对每个线圈的影响还能有效地被差分检测电路抵消，使传感器的抗干扰性能增强。
在径向方向使用两个传感器线圈进行差分测量转子的位移，则径向两个自由度一共需要四个传感器线圈，以定子中心为原点建立坐标系，四个传感器线圈分别位于x,y轴的四个方向上。
以径向x轴方向为例，电涡流传感器检测电路如图8所示，当转子位于定子中心时，两线圈阻抗相等，并且线圈与并联电容处于谐振状态，线圈两端电压差分输出Uo为零；当转子在x轴方向上有位移时，则传感器差分输出相对应的电压信号，并经过后续电路的处理与控制，通过磁浮线圈产生磁场给转子一个与位移方向相反的力，使转子始终处于中心范围，从而实现对转子在x轴上的位移控制。
当转子偏离中心位置后，线圈1和线圈2的阻抗值就会发生变化，且电阻变化值对阻抗变化的影响较小，从而导致输出端有一定的电压值，即△u。
传感器的灵敏度计算公式如下：
Figure BDA0003578081680000091
传感器激励电压确定后，影响传感器灵敏度的因素除了线圈阻抗的变化外，还有线圈的串联电阻R，且R存在最优值。令ds/sR＝0，由于线圈阻抗变化率为一阶小量，则可得：
Figure BDA0003578081680000092
因此，为使传感器灵敏度最佳，传感器检测电路中线圈串联电阻值应与线圈谐振回路谐振时的阻抗相等。
如图9所示，为差动放大电路，高输入阻抗减少信号源内阻的影响；高共模抑制比CMRR减少信号工频干扰及所测量的参数以外的作用的干扰；低噪声低漂移，对信号源影响小，拾取信号的能力强以及能够使输出稳定。
如图10所示，为滤波电路以及积分电路。
综上所述，本发明提供的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，一方面，是电涡流传感器本身所具有的优越性，电涡流传感器相比其他类型的测距传感器特点更加鲜明：
其一、电涡流传感器采用电流直接驱动，将中间过程的时间浪费降低到最短以保证其操纵响应时间非常短，仅有数十毫秒量级；
其二、性能强劲，特别是在线性度，分辨度，抗干扰力以及精度等方面的优势显著；用在对电机径向偏移量的实时监测，测量结果可靠、可信，便于后续设备的保护及维修。
另一方面，本发明中所设计的集成整合调理电路的前置器也有相较于现有技术的明显优越性，前置器中装有测量电路，并用环氧树脂灌封，能够屏蔽外界干扰信号；测量电路中传感器线圈与谐振电容C组成一个谐振体，传感器检测电路测量谐振体两端电压信号，能有效提高传感器的灵敏度；两个传感器线圈分别安装在被测体移动方向的两边并进行差分测量，外界环境例如环境温度变化、激励信号的幅值与频率波动、外界电磁场的干扰等对测量结果造成的影响能有效地被差分检测电路抵消，使传感器的抗干扰性、灵敏性得到显著增强；滤波保证输出结果的平稳可靠，抑制谐波与尖脉冲的影响；线性补偿使得输出结果保持良好的线性特性，便于测量及调整。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电涡流原理的电机位移传感器，包括传感器的探头(1)、延伸电缆(2)和前置器(3)三个部分，其特征在于，所述探头(1)通过延伸电缆(2)与前置器(3)相连接，探头(1)检测端靠近被测体(4)，所述探头(1)的前端设置有探头线圈(101)，所述探头(1)是在探头骨架上由漆包铜线绕制而成的，由于探头线圈(101)电磁特性的需求，探头骨架是由聚四氟乙烯材料制成，探头线圈(101)装在由不锈钢制成的壳体内，作为连接传感器探头(1)与前置器(3)的延伸电缆(2)则是耐高温的射频电缆，前置器(3)是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，其中装有测量电路，并用环氧树脂灌封。
2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述被测体(4)靠近探头(1)一侧的表面具有涡流(103)，所述涡流(103)和探头线圈(101)之间具有磁通量(102)。
3.根据权利要求1所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述前置器(3)包括振荡器、检测电路和放大器，所述振荡器与延伸电缆(2)相连接，且振荡器、检测电路和放大器依次电性连接，所述前置器(3)内还设有线性补偿电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述探头线圈(101)即线圈L，当线圈L中通有高频交变电流I1时会在线圈周围产生交变磁场H1，交变磁场H1将在附近金属导体的被测体(4)中产生电涡流I2，同时产生交变磁场H2，且H2与H1的方向相反，由于交变磁场H2对交变磁场H1有反作用，使得线圈中电流I1的大小和相位均发生变化，即会引起线圈中的等效阻抗发生变化。
5.根据权利要求1所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述传感器与被测体(4)的等效电路中，推得电压平衡方程组如下：
Figure FDA0003578081670000021
由式(2-1)解得I1和I2分别为：
Figure FDA0003578081670000022
由此可以得到传感器线圈受金属导体影响后的等效阻抗为：
Figure FDA0003578081670000023
传感器线圈的等效电阻R和等效电感L分别为：
Figure FDA0003578081670000024
Figure FDA0003578081670000025
传感器线圈的品质因数Q为：
Figure FDA0003578081670000026
由于电涡流的影响，传感器线圈的电阻由原来的R1变为R,电感由L1变为L,电涡流使线圈的电阻增加、电感减小,同时，电涡流会导致传感器线圈品质因数降低。
6.根据权利要求3所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述检测电路包括晶体振荡器、线圈检测电路、放大器、检波电路和滤波器，所述晶体振荡器、线圈检测电路、放大器、检波电路和滤波器依次电性连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述检测电路中采用谐振电路，在单个传感器线圈测量条件下，直接测量传感器线圈两端电压信号，为减少环境因素的影响，使用两个传感器线圈安装在被测体(4)移动方向的两边，进行差分测量，检测电路通过测量两线圈两端电压的差分信号，以提高传感器灵敏度。
8.根据权利要求6所述的一种基于电涡流原理的电机位移传感器，其特征在于，所述放大器为差动放大电路，通过高输入阻抗减少信号源内阻的影响，高共模抑制比CMRR减少信号工频干扰及所测量的参数以外的作用的干扰。
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