CN216448796U - 基于磁传感器的电涡流位移检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

基于磁传感器的电涡流位移检测装置及系统，其特征在于包括线圈骨架、激励线圈、磁传感器、PCB板、接线端头、挡板及温度补偿电路。本实用新型提供基于磁传感器的高灵敏度探头，提供可实时显示检测位移结果的上位机；由于磁传感器GMR是一种磁敏器件，对温度具有一定的敏感性，在电压源供电的情况下，GMR会随着温度上升，输出响应逐渐衰减，对巨磁电阻效应器件的测距性能有很大影响，因此本实用新型可以通过增加温度补偿电路，提高电涡流位移检测的抗干扰能力和检测精度。

Description

基于磁传感器的电涡流位移检测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及涡流检测技术领域，具体为基于磁传感器的电涡流位移检测装置及系统。

背景技术

电涡流位移传感器是一种非接触式传感器，它的工作原理是基于涡流效应上并能将非电量参数位移转化成电信号的非接触式位移测量装置，它具有抗干扰能力强、灵敏度高、可靠性好、稳定性强以及结构简单等优点，在市场上的应用越来越广泛。

位移测量的范围很广，包括振动、偏心、间隙、位置、倾斜、移动、变形、冲程等等，来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙的变化。在很多场合，位移的测量必须采用非接触式的方法。目前，非接触式的位移传感器主要有电感式、电容式、激光式、射线式、涡流式等。电感位移传感器灵敏度高、结构可靠、温度和湿度影响小、分辨率高、但频响较低，不宜用于快速动态测量。激光位移传感器测距范围大、与被测材料无关、响应速度快，但是价格昂贵，且易受环境干扰。电容位移传感器适用于各种导电材料测量，具有高分辨率，但是要求使用场合干净，对油污、尘埃、水等介质敏感。涡流位移传感器适用于金属材料测量，对油污、尘埃、湿度、干扰磁场不敏感、特别适用于恶劣的工作环境。具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、不需特殊安全防护、不受油水等介质的影响、安装维护方便等优点。

电涡流位移检测是一种非接触的测量方法，常温下可实现高精度地测量但在高温环境中，由于巨磁电阻(GMR)传感器存在的磁滞，非线性误差以及温漂带来的测量，并且GMR传感器对外界磁场比较敏感，电涡流位移传感器的某些参数发生较大的变化，使其检测精度变差，在具体的测量当中达不到所要求的高精度，因此需要温度补偿来解决这一难题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供基于磁传感器的高灵敏度探头，提供可实时显示检测位移结果的上位机；由于GMR传感器是一种磁敏器件，对温度具有一定的敏感性，在电压源供电的情况下，GMR效应器件随着温度上升，输出响应逐渐衰减，对GMR效应器件的测距性能有很大影响，因此本实用新型可以通过增加温度补偿电路，提高电涡流位移检测的抗干扰能力和检测精度。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：

1、基于磁传感器的电涡流位移检测装置，包括线圈骨架、激励线圈、磁传感器、PCB板、接线端头、挡板。

线圈骨架内侧含有两个用于固定PCB板的挡板，这两个挡板为条形结构，并处于同一水平线，外侧绕制用于产生交变磁场的激励线圈；PCB板置于线圈骨架内部，被固定在挡板上方，呈圆饼状，其半径略小于线圈骨架的内半径；磁传感器焊接在PCB板中心位置，可防止在检测过程中提离距离发生改变影响检测位移结果，传感器敏感轴方向垂直于PCB板；磁传感器的引脚经过PCB板下方的接线端头与外部电路相连。

进一步的，所述线圈骨架为高20mm～22mm的开口圆管。

进一步的，所述激励线圈是内径7mm，外径8mm，高20mm的漆包铜线圆形空心线圈，由线径0.25mm的漆包铜线绕制200～300匝构成。

进一步的，所述磁传感器采用GMR传感器。GMR传感器作为探头的检测芯片，检测磁场变化。

进一步的，所述挡板距离探头顶部距离为7.5mm～8.0mm；PCB板使用工业胶固定在第一挡板上，磁传感器设置在PCB板上方3.0mm～3.5mm处。

2、基于磁传感器的电涡流位移检测系统，包括信号发生模块、探头、功率放大模块、信号调理模块、数据采集模块、温度补偿电路以及被测试件。所述的探头为基于磁传感器的电涡流位移检测装置，采用STM32F103C8T6单片机与AD9850组成信号发生模块。

进一步的，所述信号调理模块由低通滤波器和仪表放大器芯片AD623构成。

进一步的，数据采集模块包含可实时显示检测结果的上位机和数据采集卡；高灵敏度探头输出的模拟电压经信号调理模块后通过数据采集卡自动采集到PC端显示。

进一步的，所述温度补偿电路中的温度补偿器采用高精度，低失调电压温漂的单运放仪用放大器OP07。

本实用新型的有益效果是：

1、GMR传感器作为探头来代替线圈，能够避免线圈带来的影响，使位移测量更灵敏和准确。

2、由于GMR传感器是一种磁敏器件，对温度具有一定的敏感性，在电压源供电的情况下，GMR效应器件随着温度上升，输出响应逐渐衰减，对GMR效应器件的测量性能由很大影响，因此可通过增加温度补偿电路，提高电涡流位移检测的抗干扰能力和检测精度。

3、PC端上位机显示模块可实时显示检测的结果，在上位机中对位移量进行实时显示，使得位移检测速度快。

附图说明

图1为本实用新型的基于磁传感器的涡流探头正视剖视图；

图2为本实用新型的基于磁传感器的涡流探头俯视剖视图；

图3为本实用新型的磁传感器的电涡流位移流程框图；

图4为本实用新型的温度补偿电路；

图5为Labview上位机显示界面；

图6为maxwell系统仿真模型；

图7为探头与被测试件距离改变时磁感应强度变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步描述。

如图1所示，基于磁传感器的电涡流位移检测装置线圈骨架1、激励线圈 2、磁传感器3、PCB板4、接线端头5、挡板6；所述线圈骨架1和挡板6由光敏树脂材料3D打印制成。

作为本实用新型的进一步的方案，如图1，所述线圈骨架1内侧为开口圆管，外侧绕制激励线圈2；PCB板4位于线圈骨架1内部，呈圆饼状，其半径略小于线圈骨架1的内半径；磁传感器3焊接在PCB板4上，且位于PCB板4 的中心位置；PCB板4的两侧各设置有一个挡板6，这两个挡板6处于同一水平线，将PCB板4固定在线圈骨架1内部；磁传感器3的引脚经过PCB板4下方的接线端头5与外部电路相连。

作为本实用新型的进一步的方案，如图3所示，本实用新型的基于磁传感器的电涡流位移检测装置系统包括信号发生模块、探头、功率放大模块、信号调理模块、数据采集模块、温度补偿电路以及被测试件；所述信号发生模块使用直接合成数字频率技术产生正弦波信号，在其输出过程中产生的杂波和一些高频信号，可通过低通滤波器进行滤波，随后频率稳定的正弦波信号经过功率放大芯片，提高驱动能力；数据采集模块包括数据采集卡和上位机显示。

作为本实用新型的进一步的方案，所述信号调理模块主要由仪表放大器 AD623和低通滤波器组成；放大倍数通过外接的可调电阻R_G进行调节。增益可调范围为1～1000倍，可以通过下式计算得到：

作为本实用新型的进一步的方案，如图5，所述上位机实时采集数据界面的输入为数据采集卡采集的信号，图中横坐标为采样时间，纵坐标为电压值，对应磁传感器的输出。

本实用新型的具体的工作方式步骤如下：

步骤1：信号发生模块产生的正弦波信号通入激励线圈2，使其周围产生交变磁场，在该磁场范围内的被测试件产生涡流进而产生次级磁场使磁传感器 3周围的磁场发生变化；传感器在与被测导体之间距离不变时输出几乎不变，当传感器在与被测导体之间的距离发生变化时，电涡流发生畸变，部分损失，传感器中的电桥平衡被打破，产生差分输出；传感器产生的差分输出信号非常微弱，经过AD623仪表放大器放大后，使用数据采集卡采集到上位机进行显示。

步骤2：磁传感器3的引脚经过PCB板4下方的接线端头5与外部温度补偿电路相连。如图4所示，通过输出电压V₀对GMR进行供电，引脚4与引脚7分别作为放大器的正、负电源引脚，在电源与地之间加入去耦电容，滤除 OP07芯片自身的高频噪声，通过隔离供电回路切断噪声传播；防止电源噪声对芯片产生干扰。当温度变化时，供电电压V_cc会随着常值电阻R₁与温变电阻R₂的变化发生波动，电压放大倍数A_u为：

步骤3：如图6所示，在maxwell软件中进行仿真实验，设置激励线圈内半径为7mm，外半径为8mm，线圈匝数为260匝，材料为铜，给线圈施加的峰值大小10安匝、频率1000Hz的正弦波激励电流；设置被测试件大小为100 mm×140mm×10mm，材料为铝。

步骤4：如图7所示，随着被测试件与激励线圈之间的距离增大，涡流峰值和测试点磁感应强度越来越大，当之间的距离变化到20mm时，趋于平稳，这说明探头的测试范围不能大于20mm。

通过上述具体实施例对本实用新型进行了揭示，基于磁传感器的电涡流位移检测装置及系统简单变形，将落入本实用新型的权利要求范围内。

Claims (2)

1.基于磁传感器的电涡流位移检测装置，包括线圈骨架、激励线圈、磁传感器、PCB板、接线端头、挡板；

线圈骨架内侧含有两个用于固定PCB板的挡板，这两个挡板为条形结构，并处于同一水平线，外侧绕制用于产生交变磁场的激励线圈；PCB板置于线圈骨架内部，被固定在挡板上方，呈圆饼状，其半径略小于线圈骨架的内半径；磁传感器焊接在PCB板中心位置，传感器敏感轴方向垂直于PCB板；磁传感器的引脚经过PCB板下方的接线端头与外部电路相连；

进一步的，其特征在于：所述线圈骨架为高20mm～22mm的开口圆管；

进一步的，所述激励线圈是内径7mm，外径8mm，高20mm的漆包铜线圆形空心线圈，由线径0.25mm的漆包铜线绕制200～300匝构成；

进一步的，所述磁传感器采用GMR传感器；GMR传感器作为探头的检测芯片，检测磁场变化；

进一步的，所述挡板距离探头顶部距离为7.5mm～8.0mm；PCB板使用工业胶固定在第一挡板上，磁传感器设置在PCB板上方3.0mm～3.5mm处。

2.基于磁传感器的电涡流位移检测系统，包括信号发生模块、探头、功率放大模块、信号调理模块、数据采集模块、温度补偿电路以及被测试件；其特征在于：所述的探头为权利要求1所述的基于磁传感器的电涡流位移检测装置，采用STM32F103C8T6单片机与AD9850组成信号发生模块；

进一步的，所述信号调理模块由低通滤波器和仪表放大器芯片AD623构成；

进一步的，数据采集模块包含可实时显示检测结果的上位机和数据采集卡；高灵敏度探头输出的模拟电压经信号调理模块后，通过数据采集卡自动采集到PC端显示；

进一步的，所述温度补偿电路中的温度补偿器采用高精度，低失调电压温漂的单运放仪用放大器OP07。

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