电涡流传感器稳定性与实验研究

施宏昊

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

1 电涡流传感器的基本结构和工作原理

1.1 基本结构

电涡流传感器系统所用到的主要电磁传感元件是磁探头，探头装置的线圈内部一般是装有能够固定的安装固定在金属框架板上的序号扁平的线圈。线圈上可以存在由控制器来进行控制线圈产生的正向震荡的感应的电磁场，当测量线圈接近导体与接触被待测体的金属导体时，被待被测体的金属表面内部便都会因为相应而产生了震荡的感应的磁场电流，而又同时的产生出了一个反向震荡感应的感应电磁场，这时内置的电涡流传感器芯片就可根据随着这个反向电磁场所变化引起的电磁脉冲强度的变化而来的准确地判断测量导线表面与接触被待测体导线表面之间的距离。因此，在对电涡流传感器进行整个实际工作或过程系统设计分析实践中，被检测体结构一般上也是只可被单地看作构成一个位移传感器系统结构中的那几个相对重要部件的简单组成形式和结构部分，电涡流位移传感器的总体材料的特殊力学性能等则与这各个单元被监测材料组成的一般结构物理特性等相关（图1）。

图1 电涡流传感器基本结构

1.2 工作原理

根据法拉第电磁感应定律，当金属导体电流因长期处于电流周期性方向变化时产生的磁场环境变化中并被做电流周期性的切割变化成磁感线的运动的过程时，导体电流场中也必然会产生相应磁场产生另一种可感应导体的导体电流，感应导体的导体电流现象也就是因感应磁场变化呈现导体电漩涡状，该类导体电流现象常被称为感应导体电涡流，该磁场效应现象又称电涡流效应。根据电涡流效应等科学原理进行加工设计制成的一类新型电磁传感器，一般称为电涡流式传感器（图2）。

图2 工作原理

前置器线圈电路中输出来的一个高频的振荡脉冲电流信号将其通过一个延伸的电缆线路直接进入到探头线圈，使整个探头线圈产生交变磁场。基本测量参数由于电磁反作用，探头线圈高频电流感应产生电场的最大频率振幅变化范围和最大磁场相位值将相应产生显著变化，从而可能将使整个探头线圈区域内电场的最大有效电阻抗的数值范围也随之发生重大改变。这种频率显著变化，往往与所测量到被检受测件金属体表面中磁场的相对最大的磁导率、电导率、探头线圈及其内部包覆金属导体的几何形状、尺寸、电流频率振幅值，及由该探头线圈中心到包覆该器件金属导体表面中心间的磁场相对最小距离值等许多物理参数因素等相关。

通常可以假定的是，被待检测的探头材料均为金属材料，比较线性均匀或稳定的金属导体，性能线性比较均匀稳定且具有各项同性，探头的线圈材料和被待检测的探头对象系统金属之间存在的某种主要的物理特性关系，也可以看做是由与被待测探头材料金属导体之间存在的电导率系数б、磁导率指数ξ、尺寸因子系数τ、探头的线圈材料与被待测探头的系统金属表面间的等效距离常数D 以及等效电流强度指数I、等效频率常数ω 等来表达。由此线圈的特征阻抗可以分别使用z=F（τ，ξ，б，D，I，ω）函数表示。通常可以只考虑和保持被测件用的金属绕组上的电导率系数б、磁导率系数ξ、尺寸因子系数τ、电流强度I 和电流频率系数ω 等这5 项重要电磁参数，保持其在其某项一定的数值范围内的精度不变，线圈绕组中的特征阻抗值系数Z 即可成为在距离函数D 域上的最后一个单值函数。

2 电涡流传感器电路实验

位移传感信号常用的是新型测量与传感技术，采用的位移传感信号测量技术手段通常有热应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器等位移测量方法等，来实现完成位移检测，大位移尺寸下的微小位移传感器一般用于热互感应的同步器、光栅、容栅、磁栅等新型传感测试电磁技术方法来快速实现电磁测量，由于采用其电磁测量方法、又是能快速通过探测器直接测量传感器输出中的各种电信号，方便现场快速信号转化，易于进行现场过程控制，所以在目前应用最为广泛。

电涡流传感器本身其属于电磁仪器的一种，结构简单，动态信号场响应的特性更好，灵敏度要求更高，分辨率较高，可说真正能够实现非接触测量受介质。与目前其他全接触式的测量受介质传感器方式所相比，非接触测量介质最好的一种检测的方法也是由于两者不需完全的接触而因此可以做到相对地减少对其的磨损量的；与目前其他型产品的电磁位移检测的传感器结构形式相比较，电涡流位移的测量和传感的检测器具已经有了能长期稳定持续的工作可靠性比很好、测量信号波长范围可以更窄宽、灵敏度很高、分辨率也很高、响应快检测响应速度快、不受恶劣环境油污灰尘等各种因素影响、结构可以较复杂简单方便实用可靠等优点。

2.1 电涡流传感器位移实验基本原理

通过连接带有交变磁感应型电流互感器上的一个感应电流线圈便可自动产生出一交变感应电流磁场，当可感应得金属体内部恰好是处在于这个交变上的一磁场时，根据电磁感应原理的基本原理，金属自动感应并结合在金属体内，产生旋转电流。电流磁场可使感应金属体的表面自感合，并随旋转闭合形成漩涡，故称这个磁场现象为金属旋转涡流。涡流力值的受影响性大小还可与测量该感应金属导体材料自身表面的金属电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率值及感应电流线圈与该感应金属体表面间的相对位移距离的x 度轴移等其他一系列电磁参数值有关。

电涡流信号产生的磁场，其产生过程中同时也意味着要消耗这大部分磁场能量，从而间接地改变了铁磁线线圈之间的电场阻抗，涡流传感器就是基于测量这种以电磁涡流效应原理来制成的仪器的。电涡流工作条件是指在某一个金属非表面接触的磁场状态工作时（线圈与金属体表面不接触）工作时，当已知除了该线圈与该金属体之间以金属表面相接触时，磁场最小距离为等于x 度且线圈周围的磁场剩余等所有其他电磁参数都为大于一定电磁常数时，都还可以允许用于现场进行的电磁位移值的精确测量。

电涡流传感器的安装、测量电路示意见图3、图4。

图3 电涡流传感器安装示意

图4 电涡流传感器测量电路

2.2 数据处理

（1）根据电涡流传感器侧位移实验的接线图接线。

（2）求取电压与位移的函数关系。电压表校定完零度后，调节仪表测微头位置并使各被动试测体头与各传感器端部完全相接触，将电压表显示的电压从选择开关档自动切换并调整电压到20 V 挡，检查各个仪表的接线端子完整正确无误后即可正常开启并扣住主机箱电源开关，记下当前的电压表读数，然后每隔1 min（大约0.1 mm）读正错的一个仪表参数，记录仪表前端的10 个测量脉冲数据（表1），绘出仪表显示的电压波形并与测量位移曲线中的一种函数图形。分别显示在曲线每一个侧角和曲线每隔约0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm 处所读入10 组数据（图5）。

图5 理想曲线与数据对应曲线

表1 脉冲数据

（3）实验结论。对其每一小组提供的数据曲线分别进行对比和分析，并通过对系统数据和对与其所列数据曲线对应关系的函数曲线分别进行验证测试和数据对比和分析比较后，最终得出了一个结论：通常可通过传感器外径有效测量的位移曲线的最大线性范围应设置在外径处。

2.3 电涡流传感器稳定性研究

2.3.1 检测线圈的选择

电涡流位移传感器工作中最经常用到的是电涡流位移传感器，检测缠绕线圈也是组成该套涡流位移检测传感器系统中的4 个最重要组成部分中就有这两个部分是比较重要的核心部分，包含位移传感器自身各种主要尺寸参数，如缠绕线圈形状、内径、外径、厚度及绕线圈、缠绕线圈要用到的很多其他材料参数，也必须考虑与涡流位移传感器的自身的另外一些关键性能参数也有很直接的关系。

对于位移检测传感器线圈设计的工艺参数范围内的最佳选择，分析和比较以前的研究结果，主要总结出以下4 个。

（1）从传感器线圈的形状来看：线圈的大截面积对位移检测传感器性能有很大的直接影响。不同形状和横截面尺寸的位移传感线圈的集肤效应将显著不同。寄生电流传感器可直接用于位移检测，高能圆柱线圈的灵敏度往往比矩形线圈的更高。

（2）当3 个传感器线圈的速度密度值相同时，线圈直径的内外值越窄，外径值越大，厚度值越厚，传感器线圈的检测灵敏度值越高，线性范围越窄。相反，结论也应该是可持续的。

（3）3 个传感器线圈速度密度值对3 个线圈传感器性能场的线性影响范围相同。如果线圈密度值相同的3 个传感器线圈的参数几何值相同，则传感器线圈3 圈的密度范围越窄，传感器线圈检测信号的灵敏度越宽、越高，线性范围也就会越的广大和小。

（4）传感器线圈的截面几何形状地变化可以对磁场传感器性能变化产生了很重要的地影响，因为在其中一个倒梯形的截面传感器线圈磁场能量地损失相对来讲最少，在其他截面上相同截面形状的线圈位置上其感应磁场强度的性能变化之间的梯度最大。

2.3.2 感器探头选型

电涡流传感器常用的涡流探测元件电路多由金属陶瓷外壳、线圈骨骼、线圈等电磁机械部件电路等部件构成，电涡流传感器通常仅需要根据其自身电磁效应也可以快速完成感应电流的测量，因此也要求其感应元件前端部分的仅感材料须为高强度导电及非金属高温绝缘材料。通过分析综合与比较选用各种规格不同等级的陶瓷材料，可同时保证现场加工和采用来的其他各种等级陶瓷材料符合检测工艺要求，陶瓷材料特有的磁性耐高温、耐腐蚀，可以及时保证能够有效准确的探测保护系统和探测保护系统中内部的带电的金属磁性元件，不直接影响或遮挡其外部微弱电磁场，提高涡流传感器的整体使用寿命。要求达到很高的环境温度要求的话，也就可以选择直接的使用镀银合金线。采用由各种不同规格的线径组合所形成的多条漆包线线圈组合，也一样可以获得比传感器线圈更好的、可靠的温度稳定性。

2.3.3 影响电涡流传感器工作稳定性的因素

由以上实验检测结果中可知，信号电压U 的幅值范围和采样频率、线圈等效损耗阻抗值Z、线圈电感L 大小以及由被感测元件导体电阻引入电阻的绝对值Z、L 值都均能严重影响电流传感器波形的线性输出，只要积极研究探讨如何采取措施减少上述这些信号受外部环境影响的潜在影响，就能切实提高微型电流传感器设备的运行工作及其稳定性。由于电涡流传感器通常是指利用电涡流传感器内的电流线圈及其与其他被检测金属导体等之间施加的强电磁场耦合和作用原理进行的工作方式的，因而对于被受测导体本身的几何材料、尺寸、物理性质分布与结构形状特性等直接影响电流传感器输入的信号输出和特性，对其工作的稳定性有很大影响。

3 结论

（1）电涡流传感器是一种动态性能优良、能够实时测量多种物理参量移动的电子传感器的实验分析设备。

（2）实验表明当激励电源工作频率在15～27.5 Hz，激励电压源的电压幅度范围在4～28 V，在2～10 mm 的测试距离内，检测物体微小的位移运动的探测能力最优，电涡流传感器线性度能好、灵敏度较高。

（3）电涡流效应传感器主要工作集中分布在各种被测材料表面，为了让传感器检测得出的物理数据更加精确、可靠，要考虑预防在实验加热过程中可能形成的残磁效应，以及材料淬火深度不充分均匀、硬度大小不十分均匀、结晶结构的不完全均匀状态等，各种因素都会进一步影响到传感器特性。

（4）测量灵敏度要求当被测量探头被参测体头部表面为某一椭圆轴所测量的探头中心线位置正好在与轴心线正交之位置时，一般情况是应要求被测量的被参测轴直径至少应为该传感器探头头部直径的约3 倍或和1 倍以上，否则该传感器头的相对测量灵敏度数值会出现大幅下降，被参测体头部表面大小数值越小，灵敏度值则数值下降幅度就可能越多。实验环境中反复测试，当人们发现被参测的体头表面大小变化恰如与灵敏度测量时探头头部直径大小变化相同，其实际测量结果灵敏度系数会突然明显地下降、降低了近70%。被参检测体表面上的微小厚度和变化幅度也往往影响其灵敏度与测量的结果。