提高电涡流传感器灵敏度的方法

黎东升， 于光普， 尤传富

（长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

目前，电涡流传感器广泛地应用于位移、振动、转速等方面的测量，传感器对数据测量的准确度直接影响着控制电路的精确性，因此，对电涡流传感器灵敏度的研究有着十分重要的意义。

文中介绍了电涡流传感器的工作原理，并分析了影响其灵敏度与线性度的因素，通过改变测量电路结构和改变探头尺寸来提出改善电涡流传感器灵敏度的方法，观察灵敏度提高后对传感器线性度的影响。

1 电涡流传感器的工作原理［1－3］

由电磁感应原理可以得出，当导体位于交变的磁场时，导体中将会产生感应电流，感应电流呈涡流状，感应电流闭合并集中在导体表面，这一效应称之为涡流效应。电涡流传感器就是利用涡流效应进行测量的一种传感器。

电涡流传感器主要分为3部分：探头、延伸电缆和前置器。工作时，前置器中会产生高频交变的电流，这一高频交变电流通过电缆流到传感器的探头，并在探头的线圈中产生磁场。

探头与被测导体示意图如图1所示。

图1 探头与被测导体示意图

从图1可以看出，当传感器探头线圈中有高频交变的电流流过时，会在线圈的周围产生交变的磁场μ1，当探头线圈与被测导体之间的距离改变，导体表面会产生一个交变磁场μ2，μ2的方向与μ1相反。由于磁场μ2的作用，传感器探头线圈中电流的幅度和相位也会发生变化，电流的变化会引起探头线圈等效电感值的改变，从而改变探头线圈的品质因数Q。这样对位移量的测量实际上就是对品质因数Q的测量。提高线圈的品质因数Q，就可以有效地提高电涡流传感器的灵敏度。

2 串联电感提升电涡流传感器的灵敏度［4－9］

探头线圈与被测导体之间的等效电路如图2所示。

图2 探头线圈与被测导体的等效电路

在理论分析过程中，将传感器的探头等效成电感线圈，传感器与被测导体可以等效成传感器线圈与涡流环线圈的相互作用。

由基尔霍夫电压定律可得：

式中：U——正弦高频信号；

R1，R2——分别表示传感器与被测导体的等效电阻；

L1，L2——分别表示传感器与被测导体等效电感；

I1，I2——分别表示传感器线圈与被测导体中的电流。

求解方程（1）和（2），可得出传感器的等效阻抗：

由式（4）～式（6）分析可以看出，随着传感器与被测导体之间的距离改变，传感器线圈与被测导体之间的互感系数M也随之改变。当传感器接近被测导体时，互感系数M增大，等效电感L随着互感系数M的增大而减小，等效电阻R随着互感系数M的增大而增大，这样使得传感器探头的品质因数Q降低，使传感器的灵敏度也随之降低。实际测量中，传感器与被测导体之间的距离很小时，由于传感器的等效电感L太小，使得振荡电路不能启振，传感器没有输出。通过串联电感可以提升电涡流传感器的灵敏度。

具体方法是采用调幅电路作为测量电路，传感器的探头线圈作为振荡电路的一部分，使传感器探头线圈和并联电容组成一个谐振电路，输入稳定幅值的高频信号到谐振电路中，在对位移量进行测量时线圈与被测导体之间的变化引起探头电感的改变，使传感器的输出电压的幅值发生改变。通过实验观察串联电感后对电涡流传感器灵敏度的提升，以直径Φ5的探头本身和串联20μH的电感分别进行试验，所得实验数据见表1和表2。

表1 Φ5探头传感器输出

表2 Φ5探头串联20μH的电感传感器输出

电感对电压－位移曲线的影响如图3所示。

曲线2为没有串联电感时传感器的输入－输出曲线，曲线1为串联20μH的电感后的传感器输入－输出曲线。通过实验数据可以看出，串联了电感后传感器的灵敏度得到了有效地提高，在灵敏度提高的同时线性范围有所降低，但是在微位移的测量中，测量范围较小，在线性范围允许的情况下提高传感器的灵敏度，将会对系统的性能有着显著的提高。

图3 电感对电压－位移曲线的影响

3 改变探头线圈尺寸提高灵敏度

电涡流传感器可以看作是由多个载流导线叠加而形成的扁平线圈，由比奥－沙伐定律可以求出单个载流导线上的磁感强度分布

式中：μ0——磁导系数；

r——导体半径；

I——导线中的电流；

x——离导线轴线的距离。

由式（7）推导出N匝的载流扁平线圈在距离传感器线圈x处的磁感强度Bx，它可看成是由N个单匝载流导线的磁感强度叠加而成。

式中：N——线圈匝数；

b，r1，r2——分别表示线圈的厚度、外径和内径。

由式（8）分析得出，轴上磁感应强度Bx是x的函数，这一函数还会受到N，I以及线圈几何尺寸的影响。虽然增大输入电流I和增加线圈匝数都可以增强轴上磁感应强度，但是由于线圈确定后，根据测量转换电路的要求，电流I与线圈匝数N也随之确定，在实际应用中，主要影响传感器灵敏度的是线圈的几何尺寸。在确定了电流I与线圈匝数N 之后，分析式（8），对轴上磁场分布以及磁感应强度影响较大的是线圈的外径，而线圈内径对传感器灵敏度的影响较小，增大传感器探头线圈的外径，会使传感器的灵敏度降低，但会增大传感器的线性范围。

电涡流传感器分别带Φ3和Φ5的探头来分析线圈的几何尺寸对传感器灵敏度的影响，改变传感器与被测导体之间的距离x，来看两种不同的探头下传感器的灵敏度，所得实验对比数据见表3和表4。

表3 Φ3探头时传感器灵敏度

表4 Φ5探头时传感器灵敏度

线圈尺寸对电压－位移曲线的影响如图4所示。

图4 线圈尺寸对电压－位移曲线的影响

图中曲线1为Φ5探头时的电压－位移曲线，曲线2为Φ3探头时的电压－位移曲线。观察实验数据和电压－位移曲线可知，减小传感器的探头线圈可以大大地提高传感器的灵敏度，可是在提高灵敏度的同时，传感器的线性度有所降低。实际测量时，可根据测量范围选择传感器线圈的尺寸以满足对灵敏度和线性度的需求，提高测量系统的性能。

4 结 语

对电涡流传感器的原理进行了分析，并对影响电涡流传感器灵敏度的因素进行了研究，提出了提高传感器灵敏度的方法，通过在测量电路中串联电感和减小传感器探头线圈的尺寸都可以有效地提高传感器的灵敏度。同时观察提高灵敏度对传感器线性度的影响，传感器灵敏度的提高会降低其线性范围。在实际测量中可以根据测量范围进行选择，使系统的性能得到提高。

［1］赵玉刚，邱东.传感器基础［M］.北京：北京大学出版社，2006.

［2］郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2003.

［3］谭祖根，汪乐宇.电涡流检测技术［M］.北京：原子能出版社，1986.

［4］薛阳.磁悬浮转子集成位移检测系统的研究［D］：［硕士学位论文］.武汉：武汉理工大学，2009.

［5］于亚婷，杜平安，廖雅琴.线圈形状积极和参数对电涡流传感器性能的影响［J］.仪器仪表学报，2007，28（6）：1045－1050.

［6］杜方芳，祝长生.电涡流传感器前置器的参数对测量系统性能的影响［J］.电工技术，2004（9）：64－66.

［7］胡嗣云，张武扬.电涡流传感器线性化参数分析［J］.电测与仪表，1992，29（1）：23－25.

［8］黄小秋，丁天怀，付志斌.简化目标函数的电涡流传感器线圈参数优化设计法［J］.仪表技术与传感器，2000（11）：3－5.

［9］邱淑贤.霍尔式汽车车速传感器检测系统［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（3）：319－323.