與被測材料無關的電渦流傳感器基礎理論與實現(xiàn)方法研究.pdf

1、為消除被測材料電磁特性對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、時諧電磁場理論和有限元建模理論為基礎，研究了被測材料電磁特性和傳感器線圈阻抗之間的關系，提出通過矢量投影方法和幅值/相位混合調制思想消除被測材料電磁特性對傳感器輸出的影響；同時研究了探頭結構及其幾何參數(shù)與線圈阻抗的關系，從而得出探頭結構及其幾何參數(shù)和線圈阻抗的關系，并以此指導探頭結構的優(yōu)化設計。 本文主要對以下幾個方面進行了

2、深入研究： 1．線圈阻抗理論計算方法的研究根據(jù)研究需要建立了磁性/非磁性被測體下線圈阻抗的理論求解模型，從理論上推導了磁性被測體下線圈的阻抗積分表達式，在利用貝賽爾級數(shù)將阻抗積分表達式展開成級數(shù)表達式后利用MathematicTM得到了線圈阻抗值。 2．線圈阻抗數(shù)值計算方法研究根據(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)值計算模型，根據(jù)電磁場時諧分析結果得到了線圈阻抗值的數(shù)值

3、計算方法，并獲得線圈阻抗值。 3．與被測材料無關的電渦流傳感器基礎理論研究提出同時獲取線圈電阻和感抗兩個信號，通過矢量投影法消除被測材料電磁特性對傳感器輸出的影響；采用有限元法和試驗法驗證了提出的方法的正確性和可行性；根據(jù)驗證結論提出了對傳感器進行非線性校正的方法。 4.與被測材料無關的電渦流傳感器功能電路的設計與仿真在驗證的基礎上，根據(jù)提出的消除被測材料電磁特性對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、調制的設計思想，利用Multisim對功能電路進行設計與仿真。 5．功能電路的功能測試試驗研究根據(jù)電路設計的特點和關鍵器件的性能特征，在protel DXP中進行布局和布線；制板和元器件焊接后對PCB電路進行調試。利用調試好的電路板搭建了實驗平臺并對電路功能進行了測試。 6．探頭線圈結構及其幾何參數(shù)對傳感器性能影響研究通過理論推導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)兩個角度研究了探頭線圈結構及其幾何參

5、數(shù)對傳感器阻抗與檢測距離的關系曲線的影響。 以上研究不僅消除了被測材料電磁特性對傳感器輸出的影響，而且對線圈阻抗的研究也從非磁性被測體發(fā)展到磁性被測體；從線圈阻抗的角度探索探頭結構及其幾何參數(shù)對傳感器性能的影響，使研究結果對探頭結構的優(yōu)化更具指導意義。 本文的創(chuàng)新點概括如下： 1. 建立了磁性/非磁性被測體下傳感器線圈阻抗的統(tǒng)一計算模型電渦流傳感器測量中被測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

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

7、圈阻抗計算方法的研究從非磁性被測體向磁性被測體拓展，進一步完善了渦流檢測理論。 2．提出消除被測體電磁特性對傳感器輸出影響的方法根據(jù)磁場能量守恒定理和對不同電磁特性被測體對傳感器輸出影響的研究，得出在相同檢測距離、不同被測體下線圈電阻和感抗之間存在線性關系，據(jù)此提出采用矢量投影法消除傳感器測量中被測體電磁特性影響的方法；通過試驗法和有限元仿真方法驗證了該方法的可行性和正確性；最后通過線圈阻抗幅值/相位混合調制思想實現(xiàn)了傳感器輸出

8、和被測材料無關的功能。 3．通過線圈阻抗研究探頭結構及其幾何參數(shù)和傳感器性能之間的關系在被測參數(shù)一定的情況下，線圈阻抗變化不僅直接體現(xiàn)了探頭結構及其參數(shù)的變化，而且阻抗變化趨勢也體現(xiàn)了傳感器性能的好壞。目前關于這方面的研究主要是通過探頭結構及線圈參數(shù)對傳感器的磁場分布的影響進行，而關于線圈磁場分布的理論推導存在大量假設，實驗測量較困難且儀器昂貴，測量不便。與此相比，線圈阻抗的計算和測量更為方便和準確。因此提出通過線圈阻抗確定探頭