镍铬合金导线在电涡流位移传感器中的应用*

蓝 奇，马伏花，农 正，尹彩流，陆贵方

（广西民族大学摩擦材料研究所，广西南宁 530006）

0 引言

目前，在非接触式位移测量中，普遍采用电涡流位移传感器，该传感器具有测量距离大、灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单等特点［1］。典型的电涡流位移传感器由探头、延伸电缆、前置器及被测体组成［2］，其中，探头由骨架和绕制在其上的探头线圈构成。探头线圈的材料与结构参数对传感器的测量精度、测量范围等具有重要影响［3］，通常采用的线圈为铜质漆包线，但是铜线圈的温度稳定性不好，抗腐蚀能力差［4～6］。本文采用具有高强度和抗腐蚀性的镍铬合金导线为线圈，将导线绕制在陶瓷骨架上构成传感器探头，结合电源模块、放大模块和显示模块，设计制作了电涡流位移传感器。实验结果表明:该传感器具有结构简单、抗干扰能力强和测量精度较高等特点。

1 电涡流传感器的工作原理

1.1 涡流效应

图1 电涡流传感器工作原理Fig 1 Working principle of eddy current sensor

1.2 电涡流传感器等效电路

为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，金属导体与传感器线圈之间存在耦合关系，它们之间可画出如图2所示的等效电路图。

图中，R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，R2，L2为短路环的等效电阻和电感，M为线圈与导体之间的互感系数为激励电压。根据基尔霍夫定律，可列出如下方程

图2 电涡流传感器等效电路图Fig 2 Equivalent circuit of eddy current sensor

式中 ω为线圈激磁电流角频率。解此方程组可求得传感器线圈受电涡流影响后的等效阻抗Z为

由此可见，被测金属导体的电阻率ρ、磁导率μ，线圈与被测导体的距离x，以及线圈激励电流的角频率ω等参数都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z有关。可表示为Z=F（x，μ，ρ，ω，…），如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。

在本设计中，保持其它参数不变，只改变线圈与被测金属导体的距离，通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，实现对位移参数x的测量。

2 传感器总体设计

传感器主要由稳压电源、信号源、涡流探头、检测处理电路和单片机显示等部分组成。其组成框图如图3所示。

图3 传感器组成框图Fig 3 Block diagram of sensor composition

2.1 信号源

信号频率及其稳定性对检测效果的影响非常大，一般来说，若振荡器频率变化1%，输出变化大约在10%以上，因此，设计一个输出频率稳定的振荡器是很重要的。本文采用函数输生器发出标准正弦信号，经恒流源放大电路后，供给探头线圈。

2.2 涡流探头

正确地选择涡流线圈材料、参数和合理地制作能提高位移传感器的线性范围与灵敏度［7］。采用电阻温度系数为-10×10-6/℃，线径为0.6 mm的镍铬合金导线在陶瓷骨架制成涡流探头。被测金属导体为45号钢，直径为200 mm，厚度为20 mm。通过多次实验测试，得出传感器线圈的最优结构参数为线圈内径、外径、厚度分别为28，35，1.8 mm。

2.3 直流稳压电源

本设计将要用到+12，-12，+5 V直流电源。直流稳压电源是将220V交流转换成稳压输出的直流电压装置，分为变压、整流、滤波、稳压4个环节。

选用7805制作5 V直流电源，如图4所示，220 V交流经过变压器后，在经过一个整流桥，采用2只330μF和2只0.1μF电容器构成，则输出端输出稳压+5 V。7805前端的330 μF和 0.1 μF 电容器起滤波作用，7805 后端的 330 μF 和0.1 μF电容器起稳压作用。

图4 5 V电源电路图Fig 4 5 V power supply circuit

选用7812，7912制作±12 V直流电源，如图5所示，电路是用桥式整流、电容滤波、三端集成稳压器7812和7912，470 μF和220 μF组成的具有±12 V输出的直流稳压电源。其中，470μF 和0.1 μF 用来滤波，220 μF 和 0.1 μF 用来稳压。

图5 12 V电源电路图Fig 5 12 V power supply circuit

2.4 放大器电路

采用LM324制作一个双电源放大器，具体需要的器件有1 kΩ电阻器、精密可调电阻器和一个四运算放大器LM324芯片，如图6所示。

LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，内部有4个运算放大器，有相位补偿电路，电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30 V，或正负双电源 ±1.5～ ±15 V工作。

2.5 液晶显示电路设计

采用STC12C5A32S2单片机与1602液晶显示模块构成显示部分，具体电路图如图7所示。

图6 放大电路图Fig 6 Circuit of amplifier

图7 液晶显示电路图Fig 7 Circuit of LCD display

放大器放大后的信号通过接口输入到单片机中，经过A/D转换将变化的电压量转换为变化的相对位移量，并通过液晶显示模块显示出来。

3 测试结果

涡流探头固定于高精度位移标定器上，将被测金属导体固定在工作台上。选定信号源频率，调节位移标定器，改变探头与被测导体之间的距离，步长为1 mm，记录输出电压数值。调整激励信号频率，通过多次实验发现，电压值与位移呈递增关系，当涡流探头与被测金属导体越远时，电压值就越大。图8为当激励频率为150 kHz时，输出电压与位移之间的关系。

图8 输出电压与位移之间的关系Fig 8 Relationship between output voltage and displacement

4 结束语

以镍铬合金导线为涡流线圈材料，设计制作了电涡流位移传感器，通过实验发现，该传感器具有结构简单、工作性能稳定、重复性好、抗干扰能力较强等特点，线性范围为0～11 mm。

［1］谭祖根，陈守川.电涡流传感器的基本原理分析与参数选择［J］.仪器仪表学报，1980（l）:113-122.

［2］昌学年，姚 毅，闫 玲.位移传感器的发展及研究［J］.计量与测试技术，2009，36（9）:42-44.

［3］王现军，宋豫全，杜保强.电涡流传感器温度漂移综合补偿［J］.传感器技术，2004，23（2）:53-55.

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［8］吴正毅.测试技术与测试信号处理［M］.北京:清华大学出版社，2003.