與被測(cè)材料無關(guān)的電渦流傳感器基礎(chǔ)理論與實(shí)現(xiàn)方法研究.pdf

1、為消除被測(cè)材料電磁特性對(duì)電渦流傳感器輸出的影響、提高傳感器的靈敏度和線性范圍，本文以電渦流傳感器基本理論、時(shí)諧電磁場(chǎng)理論和有限元建模理論為基礎(chǔ)，研究了被測(cè)材料電磁特性和傳感器線圈阻抗之間的關(guān)系，提出通過矢量投影方法和幅值/相位混合調(diào)制思想消除被測(cè)材料電磁特性對(duì)傳感器輸出的影響；同時(shí)研究了探頭結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)與線圈阻抗的關(guān)系，從而得出探頭結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)和線圈阻抗的關(guān)系，并以此指導(dǎo)探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了

2、深入研究： 1．線圈阻抗理論計(jì)算方法的研究根據(jù)研究需要建立了磁性/非磁性被測(cè)體下線圈阻抗的理論求解模型，從理論上推導(dǎo)了磁性被測(cè)體下線圈的阻抗積分表達(dá)式，在利用貝賽爾級(jí)數(shù)將阻抗積分表達(dá)式展開成級(jí)數(shù)表達(dá)式后利用MathematicTM得到了線圈阻抗值。 2．線圈阻抗數(shù)值計(jì)算方法研究根據(jù)電渦流傳感器的幾何特征和邊界條件，結(jié)合有限元建模理論，建立了電渦流傳感器的2D和3D數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)電磁場(chǎng)時(shí)諧分析結(jié)果得到了線圈阻抗值的數(shù)值

3、計(jì)算方法，并獲得線圈阻抗值。 3．與被測(cè)材料無關(guān)的電渦流傳感器基礎(chǔ)理論研究提出同時(shí)獲取線圈電阻和感抗兩個(gè)信號(hào)，通過矢量投影法消除被測(cè)材料電磁特性對(duì)傳感器輸出的影響；采用有限元法和試驗(yàn)法驗(yàn)證了提出的方法的正確性和可行性；根據(jù)驗(yàn)證結(jié)論提出了對(duì)傳感器進(jìn)行非線性校正的方法。 4.與被測(cè)材料無關(guān)的電渦流傳感器功能電路的設(shè)計(jì)與仿真在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，根據(jù)提出的消除被測(cè)材料電磁特性對(duì)傳感器輸出影響的方法和非線性校正方法，采用幅值/相位混合

4、調(diào)制的設(shè)計(jì)思想，利用Multisim對(duì)功能電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。 5．功能電路的功能測(cè)試試驗(yàn)研究根據(jù)電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和關(guān)鍵器件的性能特征，在protel DXP中進(jìn)行布局和布線；制板和元器件焊接后對(duì)PCB電路進(jìn)行調(diào)試。利用調(diào)試好的電路板搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)電路功能進(jìn)行了測(cè)試。 6．探頭線圈結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)對(duì)傳感器性能影響研究通過理論推導(dǎo)和有限元法從線圈形狀及其幾何參數(shù)和鐵氧體磁芯及其幾何參數(shù)兩個(gè)角度研究了探頭線圈結(jié)構(gòu)及其幾何參

5、數(shù)對(duì)傳感器阻抗與檢測(cè)距離的關(guān)系曲線的影響。 以上研究不僅消除了被測(cè)材料電磁特性對(duì)傳感器輸出的影響，而且對(duì)線圈阻抗的研究也從非磁性被測(cè)體發(fā)展到磁性被測(cè)體；從線圈阻抗的角度探索探頭結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響，使研究結(jié)果對(duì)探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更具指導(dǎo)意義。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)概括如下： 1. 建立了磁性/非磁性被測(cè)體下傳感器線圈阻抗的統(tǒng)一計(jì)算模型電渦流傳感器測(cè)量中被測(cè)量的變化通過線圈阻抗的變化來體現(xiàn)，因此線圈阻抗是傳感器測(cè)

6、量中的重要物理量。而目前關(guān)于線圈阻抗的研究主要針對(duì)非磁性被測(cè)體，對(duì)磁性被測(cè)體下線圈阻抗計(jì)算方法的研究較少。文中建立了磁性/非磁性被測(cè)體下傳感器線圈阻抗的統(tǒng)一計(jì)算數(shù)學(xué)模型和有限元分析模型。通過數(shù)學(xué)模型詳細(xì)推導(dǎo)了磁性/非磁性被測(cè)體下線圈阻抗的積分表達(dá)式，并針對(duì)線圈阻抗積分表達(dá)式的特點(diǎn)，提出采用貝塞爾級(jí)數(shù)展開并截取空氣邊界的方法獲取線圈阻抗的理論計(jì)算值；通過有限元分析模型得到了傳感器的磁場(chǎng)分布、被測(cè)體中的渦流分布和線圈阻抗值。該項(xiàng)研究使關(guān)于線

7、圈阻抗計(jì)算方法的研究從非磁性被測(cè)體向磁性被測(cè)體拓展，進(jìn)一步完善了渦流檢測(cè)理論。 2．提出消除被測(cè)體電磁特性對(duì)傳感器輸出影響的方法根據(jù)磁場(chǎng)能量守恒定理和對(duì)不同電磁特性被測(cè)體對(duì)傳感器輸出影響的研究，得出在相同檢測(cè)距離、不同被測(cè)體下線圈電阻和感抗之間存在線性關(guān)系，據(jù)此提出采用矢量投影法消除傳感器測(cè)量中被測(cè)體電磁特性影響的方法；通過試驗(yàn)法和有限元仿真方法驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性；最后通過線圈阻抗幅值/相位混合調(diào)制思想實(shí)現(xiàn)了傳感器輸出

8、和被測(cè)材料無關(guān)的功能。 3．通過線圈阻抗研究探頭結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)和傳感器性能之間的關(guān)系在被測(cè)參數(shù)一定的情況下，線圈阻抗變化不僅直接體現(xiàn)了探頭結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的變化，而且阻抗變化趨勢(shì)也體現(xiàn)了傳感器性能的好壞。目前關(guān)于這方面的研究主要是通過探頭結(jié)構(gòu)及線圈參數(shù)對(duì)傳感器的磁場(chǎng)分布的影響進(jìn)行，而關(guān)于線圈磁場(chǎng)分布的理論推導(dǎo)存在大量假設(shè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量較困難且儀器昂貴，測(cè)量不便。與此相比，線圈阻抗的計(jì)算和測(cè)量更為方便和準(zhǔn)確。因此提出通過線圈阻抗確定探頭