施宏昊

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

電渦流傳感器系統(tǒng)所用到的主要電磁傳感元件是磁探頭，探頭裝置的線圈內(nèi)部一般是裝有能夠固定的安裝固定在金屬框架板上的序號(hào)扁平的線圈。線圈上可以存在由控制器來(lái)進(jìn)行控制線圈產(chǎn)生的正向震蕩的感應(yīng)的電磁場(chǎng)，當(dāng)測(cè)量線圈接近導(dǎo)體與接觸被待測(cè)體的金屬導(dǎo)體時(shí)，被待被測(cè)體的金屬表面內(nèi)部便都會(huì)因?yàn)橄鄳?yīng)而產(chǎn)生了震蕩的感應(yīng)的磁場(chǎng)電流，而又同時(shí)的產(chǎn)生出了一個(gè)反向震蕩感應(yīng)的感應(yīng)電磁場(chǎng)，這時(shí)內(nèi)置的電渦流傳感器芯片就可根據(jù)隨著這個(gè)反向電磁場(chǎng)所變化引起的電磁脈沖強(qiáng)度的變化而來(lái)的準(zhǔn)確地判斷測(cè)量導(dǎo)線表面與接觸被待測(cè)體導(dǎo)線表面之間的距離。因此，在對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行整個(gè)實(shí)際工作或過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析實(shí)踐中，被檢測(cè)體結(jié)構(gòu)一般上也是只可被單地看作構(gòu)成一個(gè)位移傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的那幾個(gè)相對(duì)重要部件的簡(jiǎn)單組成形式和結(jié)構(gòu)部分，電渦流位移傳感器的總體材料的特殊力學(xué)性能等則與這各個(gè)單元被監(jiān)測(cè)材料組成的一般結(jié)構(gòu)物理特性等相關(guān)（圖1）。

圖1 電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)金屬導(dǎo)體電流因長(zhǎng)期處于電流周期性方向變化時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)境變化中并被做電流周期性的切割變化成磁感線的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程時(shí)，導(dǎo)體電流場(chǎng)中也必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生另一種可感應(yīng)導(dǎo)體的導(dǎo)體電流，感應(yīng)導(dǎo)體的導(dǎo)體電流現(xiàn)象也就是因感應(yīng)磁場(chǎng)變化呈現(xiàn)導(dǎo)體電漩渦狀，該類(lèi)導(dǎo)體電流現(xiàn)象常被稱為感應(yīng)導(dǎo)體電渦流，該磁場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象又稱電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)等科學(xué)原理進(jìn)行加工設(shè)計(jì)制成的一類(lèi)新型電磁傳感器，一般稱為電渦流式傳感器（圖2）。

圖2 工作原理

前置器線圈電路中輸出來(lái)的一個(gè)高頻的振蕩脈沖電流信號(hào)將其通過(guò)一個(gè)延伸的電纜線路直接進(jìn)入到探頭線圈，使整個(gè)探頭線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)?；緶y(cè)量參數(shù)由于電磁反作用，探頭線圈高頻電流感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)的最大頻率振幅變化范圍和最大磁場(chǎng)相位值將相應(yīng)產(chǎn)生顯著變化，從而可能將使整個(gè)探頭線圈區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)的最大有效電阻抗的數(shù)值范圍也隨之發(fā)生重大改變。這種頻率顯著變化，往往與所測(cè)量到被檢受測(cè)件金屬體表面中磁場(chǎng)的相對(duì)最大的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、探頭線圈及其內(nèi)部包覆金屬導(dǎo)體的幾何形狀、尺寸、電流頻率振幅值，及由該探頭線圈中心到包覆該器件金屬導(dǎo)體表面中心間的磁場(chǎng)相對(duì)最小距離值等許多物理參數(shù)因素等相關(guān)。

通常可以假定的是，被待檢測(cè)的探頭材料均為金屬材料，比較線性均勻或穩(wěn)定的金屬導(dǎo)體，性能線性比較均勻穩(wěn)定且具有各項(xiàng)同性，探頭的線圈材料和被待檢測(cè)的探頭對(duì)象系統(tǒng)金屬之間存在的某種主要的物理特性關(guān)系，也可以看做是由與被待測(cè)探頭材料金屬導(dǎo)體之間存在的電導(dǎo)率系數(shù)б、磁導(dǎo)率指數(shù)ξ、尺寸因子系數(shù)τ、探頭的線圈材料與被待測(cè)探頭的系統(tǒng)金屬表面間的等效距離常數(shù)D 以及等效電流強(qiáng)度指數(shù)I、等效頻率常數(shù)ω 等來(lái)表達(dá)。由此線圈的特征阻抗可以分別使用z=F（τ，ξ，б，D，I，ω）函數(shù)表示。通?？梢灾豢紤]和保持被測(cè)件用的金屬繞組上的電導(dǎo)率系數(shù)б、磁導(dǎo)率系數(shù)ξ、尺寸因子系數(shù)τ、電流強(qiáng)度I 和電流頻率系數(shù)ω 等這5 項(xiàng)重要電磁參數(shù)，保持其在其某項(xiàng)一定的數(shù)值范圍內(nèi)的精度不變，線圈繞組中的特征阻抗值系數(shù)Z 即可成為在距離函數(shù)D 域上的最后一個(gè)單值函數(shù)。

2 電渦流傳感器電路實(shí)驗(yàn)

位移傳感信號(hào)常用的是新型測(cè)量與傳感技術(shù)，采用的位移傳感信號(hào)測(cè)量技術(shù)手段通常有熱應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器等位移測(cè)量方法等，來(lái)實(shí)現(xiàn)完成位移檢測(cè)，大位移尺寸下的微小位移傳感器一般用于熱互感應(yīng)的同步器、光柵、容柵、磁柵等新型傳感測(cè)試電磁技術(shù)方法來(lái)快速實(shí)現(xiàn)電磁測(cè)量，由于采用其電磁測(cè)量方法、又是能快速通過(guò)探測(cè)器直接測(cè)量傳感器輸出中的各種電信號(hào)，方便現(xiàn)場(chǎng)快速信號(hào)轉(zhuǎn)化，易于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制，所以在目前應(yīng)用最為廣泛。

電渦流傳感器本身其屬于電磁儀器的一種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)信號(hào)場(chǎng)響應(yīng)的特性更好，靈敏度要求更高，分辨率較高，可說(shuō)真正能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量受介質(zhì)。與目前其他全接觸式的測(cè)量受介質(zhì)傳感器方式所相比，非接觸測(cè)量介質(zhì)最好的一種檢測(cè)的方法也是由于兩者不需完全的接觸而因此可以做到相對(duì)地減少對(duì)其的磨損量的；與目前其他型產(chǎn)品的電磁位移檢測(cè)的傳感器結(jié)構(gòu)形式相比較，電渦流位移的測(cè)量和傳感的檢測(cè)器具已經(jīng)有了能長(zhǎng)期穩(wěn)定持續(xù)的工作可靠性比很好、測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)范圍可以更窄寬、靈敏度很高、分辨率也很高、響應(yīng)快檢測(cè)響應(yīng)速度快、不受惡劣環(huán)境油污灰塵等各種因素影響、結(jié)構(gòu)可以較復(fù)雜簡(jiǎn)單方便實(shí)用可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)基本原理

通過(guò)連接帶有交變磁感應(yīng)型電流互感器上的一個(gè)感應(yīng)電流線圈便可自動(dòng)產(chǎn)生出一交變感應(yīng)電流磁場(chǎng)，當(dāng)可感應(yīng)得金屬體內(nèi)部恰好是處在于這個(gè)交變上的一磁場(chǎng)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理的基本原理，金屬自動(dòng)感應(yīng)并結(jié)合在金屬體內(nèi)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電流。電流磁場(chǎng)可使感應(yīng)金屬體的表面自感合，并隨旋轉(zhuǎn)閉合形成漩渦，故稱這個(gè)磁場(chǎng)現(xiàn)象為金屬旋轉(zhuǎn)渦流。渦流力值的受影響性大小還可與測(cè)量該感應(yīng)金屬導(dǎo)體材料自身表面的金屬電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、線圈激磁電流頻率值及感應(yīng)電流線圈與該感應(yīng)金屬體表面間的相對(duì)位移距離的x 度軸移等其他一系列電磁參數(shù)值有關(guān)。

電渦流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其產(chǎn)生過(guò)程中同時(shí)也意味著要消耗這大部分磁場(chǎng)能量，從而間接地改變了鐵磁線線圈之間的電場(chǎng)阻抗，渦流傳感器就是基于測(cè)量這種以電磁渦流效應(yīng)原理來(lái)制成的儀器的。電渦流工作條件是指在某一個(gè)金屬非表面接觸的磁場(chǎng)狀態(tài)工作時(shí)（線圈與金屬體表面不接觸）工作時(shí)，當(dāng)已知除了該線圈與該金屬體之間以金屬表面相接觸時(shí)，磁場(chǎng)最小距離為等于x 度且線圈周?chē)拇艌?chǎng)剩余等所有其他電磁參數(shù)都為大于一定電磁常數(shù)時(shí)，都還可以允許用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的電磁位移值的精確測(cè)量。

電渦流傳感器的安裝、測(cè)量電路示意見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 電渦流傳感器安裝示意

圖4 電渦流傳感器測(cè)量電路

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）根據(jù)電渦流傳感器側(cè)位移實(shí)驗(yàn)的接線圖接線。

（2）求取電壓與位移的函數(shù)關(guān)系。電壓表校定完零度后，調(diào)節(jié)儀表測(cè)微頭位置并使各被動(dòng)試測(cè)體頭與各傳感器端部完全相接觸，將電壓表顯示的電壓從選擇開(kāi)關(guān)檔自動(dòng)切換并調(diào)整電壓到20 V 擋，檢查各個(gè)儀表的接線端子完整正確無(wú)誤后即可正常開(kāi)啟并扣住主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)，記下當(dāng)前的電壓表讀數(shù)，然后每隔1 min（大約0.1 mm）讀正錯(cuò)的一個(gè)儀表參數(shù)，記錄儀表前端的10 個(gè)測(cè)量脈沖數(shù)據(jù)（表1），繪出儀表顯示的電壓波形并與測(cè)量位移曲線中的一種函數(shù)圖形。分別顯示在曲線每一個(gè)側(cè)角和曲線每隔約0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm 處所讀入10 組數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 理想曲線與數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線

表1 脈沖數(shù)據(jù)

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論。對(duì)其每一小組提供的數(shù)據(jù)曲線分別進(jìn)行對(duì)比和分析，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和對(duì)與其所列數(shù)據(jù)曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系的函數(shù)曲線分別進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試和數(shù)據(jù)對(duì)比和分析比較后，最終得出了一個(gè)結(jié)論：通?？赏ㄟ^(guò)傳感器外徑有效測(cè)量的位移曲線的最大線性范圍應(yīng)設(shè)置在外徑處。

2.3 電渦流傳感器穩(wěn)定性研究

2.3.1 檢測(cè)線圈的選擇

電渦流位移傳感器工作中最經(jīng)常用到的是電渦流位移傳感器，檢測(cè)纏繞線圈也是組成該套渦流位移檢測(cè)傳感器系統(tǒng)中的4 個(gè)最重要組成部分中就有這兩個(gè)部分是比較重要的核心部分，包含位移傳感器自身各種主要尺寸參數(shù)，如纏繞線圈形狀、內(nèi)徑、外徑、厚度及繞線圈、纏繞線圈要用到的很多其他材料參數(shù)，也必須考慮與渦流位移傳感器的自身的另外一些關(guān)鍵性能參數(shù)也有很直接的關(guān)系。

對(duì)于位移檢測(cè)傳感器線圈設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)范圍內(nèi)的最佳選擇，分析和比較以前的研究結(jié)果，主要總結(jié)出以下4 個(gè)。

（1）從傳感器線圈的形狀來(lái)看：線圈的大截面積對(duì)位移檢測(cè)傳感器性能有很大的直接影響。不同形狀和橫截面尺寸的位移傳感線圈的集膚效應(yīng)將顯著不同。寄生電流傳感器可直接用于位移檢測(cè)，高能圓柱線圈的靈敏度往往比矩形線圈的更高。

（2）當(dāng)3 個(gè)傳感器線圈的速度密度值相同時(shí)，線圈直徑的內(nèi)外值越窄，外徑值越大，厚度值越厚，傳感器線圈的檢測(cè)靈敏度值越高，線性范圍越窄。相反，結(jié)論也應(yīng)該是可持續(xù)的。

（3）3 個(gè)傳感器線圈速度密度值對(duì)3 個(gè)線圈傳感器性能場(chǎng)的線性影響范圍相同。如果線圈密度值相同的3 個(gè)傳感器線圈的參數(shù)幾何值相同，則傳感器線圈3 圈的密度范圍越窄，傳感器線圈檢測(cè)信號(hào)的靈敏度越寬、越高，線性范圍也就會(huì)越的廣大和小。

（4）傳感器線圈的截面幾何形狀地變化可以對(duì)磁場(chǎng)傳感器性能變化產(chǎn)生了很重要的地影響，因?yàn)樵谄渲幸粋€(gè)倒梯形的截面?zhèn)鞲衅骶€圈磁場(chǎng)能量地?fù)p失相對(duì)來(lái)講最少，在其他截面上相同截面形狀的線圈位置上其感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的性能變化之間的梯度最大。

2.3.2 感器探頭選型

電渦流傳感器常用的渦流探測(cè)元件電路多由金屬陶瓷外殼、線圈骨骼、線圈等電磁機(jī)械部件電路等部件構(gòu)成，電渦流傳感器通常僅需要根據(jù)其自身電磁效應(yīng)也可以快速完成感應(yīng)電流的測(cè)量，因此也要求其感應(yīng)元件前端部分的僅感材料須為高強(qiáng)度導(dǎo)電及非金屬高溫絕緣材料。通過(guò)分析綜合與比較選用各種規(guī)格不同等級(jí)的陶瓷材料，可同時(shí)保證現(xiàn)場(chǎng)加工和采用來(lái)的其他各種等級(jí)陶瓷材料符合檢測(cè)工藝要求，陶瓷材料特有的磁性耐高溫、耐腐蝕，可以及時(shí)保證能夠有效準(zhǔn)確的探測(cè)保護(hù)系統(tǒng)和探測(cè)保護(hù)系統(tǒng)中內(nèi)部的帶電的金屬磁性元件，不直接影響或遮擋其外部微弱電磁場(chǎng)，提高渦流傳感器的整體使用壽命。要求達(dá)到很高的環(huán)境溫度要求的話，也就可以選擇直接的使用鍍銀合金線。采用由各種不同規(guī)格的線徑組合所形成的多條漆包線線圈組合，也一樣可以獲得比傳感器線圈更好的、可靠的溫度穩(wěn)定性。

2.3.3 影響電渦流傳感器工作穩(wěn)定性的因素

由以上實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果中可知，信號(hào)電壓U 的幅值范圍和采樣頻率、線圈等效損耗阻抗值Z、線圈電感L 大小以及由被感測(cè)元件導(dǎo)體電阻引入電阻的絕對(duì)值Z、L 值都均能?chē)?yán)重影響電流傳感器波形的線性輸出，只要積極研究探討如何采取措施減少上述這些信號(hào)受外部環(huán)境影響的潛在影響，就能切實(shí)提高微型電流傳感器設(shè)備的運(yùn)行工作及其穩(wěn)定性。由于電渦流傳感器通常是指利用電渦流傳感器內(nèi)的電流線圈及其與其他被檢測(cè)金屬導(dǎo)體等之間施加的強(qiáng)電磁場(chǎng)耦合和作用原理進(jìn)行的工作方式的，因而對(duì)于被受測(cè)導(dǎo)體本身的幾何材料、尺寸、物理性質(zhì)分布與結(jié)構(gòu)形狀特性等直接影響電流傳感器輸入的信號(hào)輸出和特性，對(duì)其工作的穩(wěn)定性有很大影響。

3 結(jié)論

（1）電渦流傳感器是一種動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量多種物理參量移動(dòng)的電子傳感器的實(shí)驗(yàn)分析設(shè)備。

（2）實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)激勵(lì)電源工作頻率在15～27.5 Hz，激勵(lì)電壓源的電壓幅度范圍在4～28 V，在2～10 mm 的測(cè)試距離內(nèi)，檢測(cè)物體微小的位移運(yùn)動(dòng)的探測(cè)能力最優(yōu)，電渦流傳感器線性度能好、靈敏度較高。

（3）電渦流效應(yīng)傳感器主要工作集中分布在各種被測(cè)材料表面，為了讓傳感器檢測(cè)得出的物理數(shù)據(jù)更加精確、可靠，要考慮預(yù)防在實(shí)驗(yàn)加熱過(guò)程中可能形成的殘磁效應(yīng)，以及材料淬火深度不充分均勻、硬度大小不十分均勻、結(jié)晶結(jié)構(gòu)的不完全均勻狀態(tài)等，各種因素都會(huì)進(jìn)一步影響到傳感器特性。

（4）測(cè)量靈敏度要求當(dāng)被測(cè)量探頭被參測(cè)體頭部表面為某一橢圓軸所測(cè)量的探頭中心線位置正好在與軸心線正交之位置時(shí)，一般情況是應(yīng)要求被測(cè)量的被參測(cè)軸直徑至少應(yīng)為該傳感器探頭頭部直徑的約3 倍或和1 倍以上，否則該傳感器頭的相對(duì)測(cè)量靈敏度數(shù)值會(huì)出現(xiàn)大幅下降，被參測(cè)體頭部表面大小數(shù)值越小，靈敏度值則數(shù)值下降幅度就可能越多。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中反復(fù)測(cè)試，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)被參測(cè)的體頭表面大小變化恰如與靈敏度測(cè)量時(shí)探頭頭部直徑大小變化相同，其實(shí)際測(cè)量結(jié)果靈敏度系數(shù)會(huì)突然明顯地下降、降低了近70%。被參檢測(cè)體表面上的微小厚度和變化幅度也往往影響其靈敏度與測(cè)量的結(jié)果。