[發(fā)明專利]高速電渦流傳感器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710365550.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-22
• 公開（公告）號(hào): CN107121153A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段發(fā)階;黃婷婷;蔣佳佳;牛廣越;傅驍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/20
• 分類號(hào): G01D5/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 劉國威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及距離測(cè)量、傳感器，具體講,涉及高速電渦流傳感器。

背景技術(shù)

電渦流傳感器是利用交變磁場(chǎng)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流效應(yīng)來進(jìn)行測(cè)量的一種傳感器，具有靈敏度高，非接觸測(cè)量以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于位移、振動(dòng)和工件損傷及變形的測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量中，探頭由傳感線圈及外殼構(gòu)成，常用傳感線圈和前置放大電路中的電容組成LC諧振，通過測(cè)量諧振點(diǎn)的偏移獲得被測(cè)量的信息。為了降低振蕩器的負(fù)載，又需在LC諧振電路一端串聯(lián)電阻，故而傳感器的頻率響應(yīng)一般較低，帶寬最高幾十千赫茲。另一方面，探頭與信號(hào)處理電路通過同軸線纜連接，線纜的寄生電容導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，從而影響精度和分辨率，且測(cè)量距離越遠(yuǎn)影響越明顯。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出高速電渦流傳感器，能夠提高傳感器的頻率響應(yīng)，消除傳輸線纜寄生電容的影響，從而提高傳感器測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，增加測(cè)量距離。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，高速電渦流傳感器，由探測(cè)線圈、高穩(wěn)定電容、三同軸電纜組成，線圈中的高頻交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并在被測(cè)金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生閉合的感應(yīng)電渦流；感應(yīng)電渦流又反過來作用于探測(cè)線圈，導(dǎo)致其和高穩(wěn)定電容組成的LC諧振電路特性阻抗發(fā)生變化，特性阻抗變化通過三同軸電纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端測(cè)量變化的阻抗即可求出被測(cè)量。

三同軸電纜的外屏蔽層接大地，由運(yùn)放op、電容C1、激勵(lì)源和電阻R1組成的驅(qū)動(dòng)電路浮地，運(yùn)放同相輸入端為驅(qū)動(dòng)電路參考點(diǎn)，產(chǎn)生高頻交變電流的激勵(lì)源連接大地和驅(qū)動(dòng)電路參考點(diǎn)；三軸電纜的芯線連接運(yùn)放op的反相輸入端；內(nèi)屏蔽層連接運(yùn)放op的同相輸入端；運(yùn)放輸出電壓uo幅值或頻率反映被測(cè)量變化，通過后續(xù)處理電路即解出被測(cè)量。

激勵(lì)源產(chǎn)生的交變電壓為ui，其頻率為ω，則輸出電壓為

其中j為虛數(shù)，且j²＝-1。

三同軸電纜的外屏蔽層e和驅(qū)動(dòng)電路共接大地，且電纜與驅(qū)動(dòng)電路通過一同軸電纜相連。在傳輸電纜的一端，同軸電纜的屏蔽層接電纜的內(nèi)屏蔽層，同軸電纜的芯線接電纜的芯線；在驅(qū)動(dòng)電路一端，同軸電纜的屏蔽層接運(yùn)放op的同相輸入端，同軸電纜芯線接運(yùn)放op的反向輸入端，同軸電纜繞成圈，作為變壓器的次級(jí)線圈，以傳輸激勵(lì)源產(chǎn)生的高頻交變電流，運(yùn)放輸出電壓uo幅值或頻率反映被測(cè)量變化，通過后續(xù)處理電路即解出被測(cè)量。

同軸電纜的芯線和屏蔽層兩端感應(yīng)的交變電壓分別為ui9和ui10，則有ui9＝ui10，且輸出電壓uo為

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

本發(fā)明通過在傳感器探頭兩端并聯(lián)高穩(wěn)定的電容，并用三同軸電纜進(jìn)行傳輸，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)，可將電渦流傳感器帶寬提高到幾百千赫茲，并消除傳輸線纜的寄生電容影響，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性及遠(yuǎn)距離測(cè)量。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明所述高速電渦流傳感器探頭示意圖。其中1為探測(cè)線圈，2為高穩(wěn)定電容，3為三同軸電纜，a為電纜3的芯線，b為電纜3的內(nèi)屏蔽層，e為電纜3的外屏蔽層。

圖2為電纜驅(qū)動(dòng)方案1。其中4為高頻激勵(lì)源，5為大地，6為驅(qū)動(dòng)電路的參考點(diǎn)，即浮地。op為運(yùn)算放大器，C1為電容，R1為電阻。

圖3為電纜驅(qū)動(dòng)方案2。其中7為同軸電纜，m為7的芯線，n為7的屏蔽層，8為變壓器。

圖4為電纜驅(qū)動(dòng)方案1的等效電路。其中L為探測(cè)線圈1的等效電感，C為高穩(wěn)定電容2，Cd1為三同軸電纜3的芯線a和內(nèi)屏蔽層b之間的電容，Cd2為三同軸電纜3的內(nèi)屏蔽層b和外屏蔽層e之間的電容，Cg為大地5和浮地6之間的電容。

圖5為電纜驅(qū)動(dòng)方案2的等效電路。其中9為同軸電纜7的內(nèi)屏蔽層m兩端感應(yīng)的高頻交變電壓，10為同軸電纜7的外屏蔽層n兩端感應(yīng)的高頻交變電壓，Cd3為同軸電纜7的芯線m與內(nèi)屏蔽層n之間的電容。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域。具體的說，本發(fā)明涉及一種電渦流傳感器，在傳感器探頭線圈端并聯(lián)高穩(wěn)定諧振電容，并結(jié)合驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)消除芯線和屏蔽層之間寄生電容的影響，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的高速、準(zhǔn)確及遠(yuǎn)距離測(cè)量。

本發(fā)明提出一種電渦流傳感器設(shè)計(jì)，將諧振電容并聯(lián)在傳感器探頭端，使串聯(lián)電阻為零歐，以提高傳感器的頻率響應(yīng)；采用三同軸電纜進(jìn)行傳輸，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)，消除傳輸線纜寄生電容的影響，以提高傳感器測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，增加測(cè)量距離。