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电涡流传感技术的研究与应用文献综述

电涡流传感技术的研究与应用文献综述

作者姓名：XXX
指导教师姓名：XXX
南京大学工程管理学院

2015年5月26日

【摘要】：电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器，具有非接触、测量精度高、响应速度快、结构简单、频响宽、不受油污等介质的影响等优点,因而得到广泛应用。但目前的电涡流传感器仍存在线性范围小、对被测材料敏感、受温度影响较大等问题。
本文结合三十篇已有的文献资料，首先介绍了电涡流传感器的构成及工作原理，并做了基本的分类，然后针对电涡流传感器存在的不足提出了一些改进措施，最后得出了本文的结论并对今后电涡流传感器的发展进行了展望，这对电涡流传感器的发展具有重要意义。
【关键词】：电涡流传感器、工作原理、不足、解决措施

【Abstract】:As a nondestructive testing component,Eddy Current Sensor (ECS) operates on the principle of eddy current effect.It has been widely used in many sections of engineering and science researches due to its advantages such as non-contacting,high measuring accuracy,fast response,simple structure,wide frequency response range and strong ability of oil contamination immunity.However,there still exist some shortcomings in ECS,such as small linear range ,sensitive to the material properties and the temperature,which hinder the further application of the sensor.
Based on the thirty documents that were read,this article introduces the components and the operational principle of the sensor in the beginning.In the meanwhile,it makes the basic classifications of the sensors as well as put forward some improvement measures according to the shortcomings of the sensors.Ultimately,the conclusions of the article are reached and the further development of the Eddy Current Sensor is envisioned,which is of great significance to the future of the sensor.

【Key words】:Eddy Current Sensor;Operational Principle；Shortcomings;Solutions

目录

1.引言： 5
2.电涡流传感器的构成及基本工作原理 5
2.1电涡流传感器的组成结构 5
2.2电涡流传感器工作原理 7
3.电涡流式传感器的种类 8
3.1高频反射式电涡流式传感器 8
3.2低频透射式电涡流式传感器 8
3.4变面积型 9
3.5变间隙型 9
4.电涡流式传感器的应用 10
4.1测位移 10
4.2测转速 10
4.3测量温度 11
4.4测厚度 11
4.5测振动 12
4.6涡流探伤 12
5.电涡流传感器的不足及改进措施 13
5.1对被测材料敏感 13
5.2易受温度影响 15
5.3探头结构及其几何参数影响大 17
5.4其他 18
5.4.1被测体表面平整度对传感器的影响 18
5.4.2被测体表面尺寸对传感器的影响 18
5.4.3被测体表面镀层对传感器的影响 19
5.4.4被测体表面磁效应对传感器的影响 19
6.结论及展望 20
6.1结论 20
6.2展望 21
7.参考文献 22

1.引言：
电涡流无损检测是以电磁感应原理为基础的一种常规无损检测方法，相对于传统的涡流无损检测方法，电涡流检测具有包含的频率分量丰富、检测信号信息量大、时域分析方便等优点。电涡流无损检测采用的是电涡流传感器，它的主要特点是频率响应速度快、测量的精度高、不受油液污染的影响、受外界磁场干扰小等。世界上第一台涡流探伤仪诞生于 1935 年，并被应用于检验焊接钢管质量。涡流传感器发展至今类型已经多种多样,并在工业生产中的各个领域得到广泛应用，尤其是在无损探伤领域,已经成为一种不可或缺的无损检测手段。本文基于前人已经著述的三十篇涡流无损检测及其有关应用的研究，从他们不同的应用角度分析他们的相同点和不同点，并且对电涡流传感器存在的诸多缺陷例如对被测材料敏感、工作时受温度影响较大、测量时受探头结构及其几何参数影响大等进行一定的分析并给出尽可能合理的解决措施，最后对电涡流传感器今后的应用领域做出合理的预测，并由此提出一些合理的建议。

2.电涡流传感器的构成及基本工作原理：
2.1电涡流传感器的组成结构
电涡流传感器主要由三部分组成：探头线圈、延伸电缆、前置器，如图 2-1所示：

当电涡流传感器进行检测时，必须配以被测导体才能进行。实际上传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小；延伸电缆是耐高温的射频电缆，其作
用就是连接前段的传感器探头和后端的前置器；前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。前置器的外壳上有三个端子，分别为电源，公共段和输出端，一个接头与电缆相连。另外传感器探头线圈不是裸露在外的，是装在传感器壳体内。它用于固定传感器的头部，
并作为测试时的装夹结构，一般由不锈钢制成。

2.2电涡流传感器工作原理
当金属导体处于交变磁场中时，导体表面就会产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，像水中漩涡那样在导体内旋状，所以称之为电涡流或者涡流。电涡流的产生必然要消耗一部份能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象就称为涡流效应。根据此涡流效应而制成的传感器，我们就称之为电涡流传感器。
电涡流传感器的工作原理，如图 2-2 所示：

根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流 i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图 2-2 中所示。与此同时，电涡流 i2又产生新的交变磁场H2；H2
与H1方向相反，并力图削弱 H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ ，磁导率μ ，线圈与金属导体的距离 x，以及线圈激励电流的频率 ƒ 等参数。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。

3.电涡流式传感器的种类：
3.1高频反射式电涡流式传感器：
这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化，从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化。为改善性能可在线圈内加入磁芯。
3.2低频透射式电涡流式传感器：
它由分别位于被测金属板材两面的发射线圈和接收线圈组成，适于测量金属板材的厚度。发射线圈L1接到振荡器上后所产生的磁力线穿过金属板M,于是在接收线圈L2两端产生感应电压u2。由于金属板内产生电涡流使到达L2的磁力线减小。金属板的厚度δ越大，透射的磁力线越少,因而u2也就越小。u2与δ之间呈指数变化关系：u2∝e-δ/h，式中h为磁力线的贯穿深度。贯穿深度取决于激励频率，为使贯穿深度大于板材厚度，要将频率选得低些。频率低还可改善线性度。激励频率一般选在500赫左右。
3.3螺管型：
这种传感器由螺管和插入螺管的短路套筒组成，套筒与被测物体相连。套筒沿轴向移动时，电涡流效应引起螺管阻抗变化。这种传感器有较好的线性度，但是灵敏度较低，具有与螺管型电感式传感器（见电感式传感器）相似的特性，但没有铁损。
3.4变面积型：
这种传感器由绕在扁矩形框架上的线圈构成，它利用被测导体和传感器线圈之间相对覆盖面积的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移。为补偿间隙变化引起的误差常使用两个串接的线圈，置于被测物体的两边。它的线性测量范围比变间隙型的大，而且线性度较高。
3.5变间隙型：
这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化，从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化。为改善性能可在线圈内加入磁芯。

4.电涡流式传感器的应用：
4.1测位移
电涡流传感器的主要用途之一就是测位移，原理图如 2-6 所示。在这方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。
4.2测转速
在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。原理图如 2-7 所示。其计算公式如下:

其中 N 为转速；
n 为圆盘状或齿轮状金属体上的槽数；
ƒ 为频率值，该值通过频率计获得。

4.3测量温度
在测量温度方面，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。在较小的范围内，导体的电阻率与温度的关系可表示为：

式中ρ1为温度为 t1时的电阻率；
ρ0为温度为 t0时的电阻率；
α为给定温度范围内的电阻温度系数。
从上式可看出，若能测出导体电阻率随温度的变化，就可求得相应的温度变化。
电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。
4.4测厚度
生产中常遇到工件厚度测量的问题，涡流测厚具有快速准确和无接触等优点，而且除了可以用于测量板材，管材等单层厚度外，还可迎来测量涂层和多层复合材料分层的厚度。
涡流涂层测厚的基本原理是，当探头与被测体接触时，探头装置所产生的高频电磁场，使置于探头下的金属导体产生涡流，该涡流产生的交变电磁场会改变探头参数，而探头参数变量的大小则取决于涂镀层的厚度。通过测量探头参数变量的大小，并经过电子电路的处理，即可得到被测涂镀层的厚度值。
4.5测振动
在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。涡流测震图如 2-8 所示。
4.6涡流探伤
保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤，涡流探伤图如 2-9所示。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位。
电涡流传感器用处很多，还可用作接近度传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式硬度计。电涡流传感器在能源，化工，医学，汽车，冶金，机器制造，军工，科研等诸多领域已有广泛的应用，并且今后还将不断的扩展。

5.电涡流传感器的不足及改进措施：
5.1对被测材料敏感
传统的电涡流传感器对被测体的材料非常敏感,同一传感器对于不同的被测材料的输出差别很大。因此针对一种材料比如45#钢设计的传感器,在把它应用于测量铝、铜等其他材料时候,就需要对现有的传感器进行重新标定,否则就不能得到准确的测量结果。总的来说，传感器特性与被测体的电导率б、磁导率ξ有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。因此，这种对于被测材料的敏感性在很大程度上限制了电涡流传感器的应用范围。
改进措施：
采用实验和有限元分析仿真相结合的方法，研究电涡流传感器的电磁性能，并通过对传感器等效电路的分析，从理论上推导出相关参数（检测距离、频率等）对传感器性能的影响，建立了一套电涡流传感器电磁场的数值计算方法，旨在了解在各个因素影响下电涡流传感器中电磁场和被测体中涡流场的变化规律，即利用探头线圈阻抗幅值和相位（即阻抗的实部电阻和虚部感抗）两个信息来产生输出电压，即可测出与特定被测材料的一个特定检测距离（x）下，探头线圈的感抗分量和电阻分量，并可表示成合成阻抗向量（）。发现当检测距离一定时，在 xy 面画出各合成向量，对应每一种导体材料的向量顶端在同一条直线上，各条阻抗曲线可沿着该直线投射到最佳的拟合平面，最终产生了与被测材料无关的输出电压。该想法可表示为图7-1 所示的形式。

假设在 x 一定时，材料 1 的等效阻抗 Z1的相位角为φ ，则 Z1投影到水平面与阻抗实部对应，投影到垂直面与阻抗虚部相对应，而θ 则是电压的投影平面与水平面所成的角度，通过 ，可将所有不同材料的探头线圈的阻抗投影到 Zp平面上，如图 7-1 所示，所有材料的探头线圈阻抗都等效为同一个值，从而消除了由于被测材料的不同而对测量结果造成的影响。

5.2易受温度影响
据相关的各种资料分析，当工作温度超过70℃时，电涡流传感器的灵敏度会显著降低，甚至会造成传感器的损坏，即电涡流传感器温度漂移比较大,在温度较高或温度变化较大的环境内使用将产生较大的误差,因此寻找减少温漂行之有效的方法就显得十分重要和迫切。
解决措施：
实践证明,电感传感器的感抗温度漂移很小,线圈阻抗温度漂移主要表现为线圈电阻温度漂移,因此,如何抑制线圈电阻温度漂移一直是电涡流传感器温漂补偿的主要问题。以前的实验结果表明，激励信号U0的频率、幅值的温漂和线圈等效损耗电阻R1是影响电涡流传感器温度稳定性的主要因素。
而激励信号U0的幅值、频率和传感器线圈等效损耗电阻R1引起的温度系数通过优化设计可以减小,但是完全消除是困难的。为进一步提高传感器的温度稳定性,差动补偿是一个有效的方法,其电路原理如图7所示。由于采用两个完全相同的检测电感线圈组成差动结构,而且电路设计也完全对称,使得两个回路的温漂以及时漂作为共模信号互相抑制,从而提高了传感器的温度以及时间稳定性。传感器探头可以根据被测体的结构设计成单探头结构或双探头结构。

5.3探头结构及其几何参数影响大
对于以位移为检测量的传感器,希望有较大的线性范围和较高的灵敏度。电涡流传感器的灵敏度和线性范围主要受线圈磁场分布影响,而线圈磁场分布又受其形状和几何参数直接影响,因此线圈形状及其几何参数对传感器性能影响很大。
解决措施：
以Biot-Savart定律为基础,有关学者推导了具有梯形截面的矩形柱线圈和圆形柱线圈对称轴上任一点的磁场分布,确定了在以位移为检测量的电涡流传感器中采用圆柱线圈更合理,并通过有限元法研究和分析了在线圈匝数密度不变和变化2种情况下圆柱线圈内径、外径、厚度、截面形状(矩形、梯形和倒梯形)对传感器灵敏度和线性范围的影响,并得出以下结论：
（1）对于用于位移量检测的电涡流传感器,圆柱线圈比矩形柱线圈更适用；
（2）线圈截面面积对传感器性能有直接影响。当线圈匝数密度相同时,线圈内径越小、外径越大、厚度越厚,传感器的灵敏度就越高,线性范围越小；
（3）线圈匝数密度对传感器性能影响较大,在相同的线圈几何参数下,线圈的匝数密度越大,传感器的灵敏度越高,线性范围越大；
（4）线圈截面形状对传感器性能产生重要影响,其中倒梯形截面线圈磁场能量损失最少,在相同的位置磁场强度变化梯度最大；

5.4其他
5.4.1被测体表面平整度对传感器的影响
不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um～0.8um之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um～1.6um之间。
5.4.2被测体表面尺寸对传感器的影响
由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上；当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降，一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料，则灵敏度不会受其厚度的影响。
5.4.3被测体表面镀层对传感器的影响
被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。
5.4.4被测体表面磁效应对传感器的影响
电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。

6.结论及展望：
6.1结论
电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器，具有非接触、测量精度高、响应速度快、结构简单、频响宽、不受油污等介质的影响等优点,因而得到广泛应用。但目前的电涡流传感器仍存在对被测材料敏感、工作时受温度影响较大、测量时受探头结构及其几何参数影响大等问题。本篇综述针对以上问题给出了一定的改进措施，即
(1) 采用实验和有限元分析仿真相结合的方法，并通过对传感器等效电路的分析，从理论上推导出相关参数（检测距离、频率等）对传感器性能的影响，从而尽可能消除被测材料对电涡流传感器的影响；
(2)利用差动补偿的方法，采用两个完全相同的检测电感线圈组成差动结构,而且电路设计也完全对称,使得两个回路的温漂以及时漂作为共模信号互相抑制,从而提高了传感器的温度稳定性；
(3)对于用于位移量检测的电涡流传感器,圆柱线圈比矩形柱线圈更适用；在相同的线圈几何参数下,线圈的匝数密度越大,传感器的灵敏度越高,线性范围越大；当线圈匝数密度相同时,线圈内径越小、外径越大、厚度越厚,传感器的灵敏度就越高,线性范围越小；
因此，在电涡流传感器设计中,可根据传感器的使用需求及性能要求,选择合适的线圈形状、几何参数和线圈匝数密度，并综合考虑实际使用环境对传感器性能的影响，这样才可以充分发挥电涡流传感器的优势，给人们的生产生活带来便利。

6.2展望
在已得出上述结论的基础上，要开发出新型的电涡流传感器还要进行以下问题的研究和探讨：
（1）互换性问题
探头和探头延长电缆是变换电路的一部分，三者密不可分。传感器一经标定，探头和延长电缆就不能随意更换，若改变三者中的一个就会引入较大的测试系统误差，这严重影响了电涡流传感器的使用范围。因此，改善电涡流传感器的互换性是很迫切的。
（2）动态响应问题
动态响应是衡量传感器测试输出随着北侧是物理量变化相应能力的重要性能指标。现在国内的电涡流传感器的动态响应范围远远小于国外电涡流传感器的动态响应范围，因此对动态响应问题的研究也是研究内容之一。
（3）量程扩展问题
电涡流传感器是将相对位置变化转换为电信号输出的非电量测试系统，其输入数出也存在非线性，在测试和应用中只能选取其中较平坦的一段区域作为测试区域，所以量程扩展问题也是研究的内容之一。
(4)检测电路的研究和选取
要解决以上问题，只能通过对检测电路改善来完成，特别是要研制与被测材料无关的传感器时，只有通过电路解决了线性性问题之后，才能通过控制探头线圈阻抗实部和虚部的方法来实现。

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