涡流检测电路的设计【文献综述】

文献综述

电子信息工程

涡流检测电路的设计

前沿

电涡流传感器有着诸多优点，这让它成为了科学研究和工业生产中广泛使用的非接触无损检测仪器[1]。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[2]。

由于对被测材料的敏感，电涡流传感器的广泛应用一直受到制约。为了消除传感器对被测材料的敏感性，可以采用新的变换电路原理。本文对电涡流传感器的建模和涡流特性进行了三维有限元仿真分析，同时电涡流传感器设计了新型的测量电路，并对该测量电路进行了仿真、优化和实验。

主题

一、电涡流传感器发展历程及应用

在一般的工程实际中，涡流检测包括测量和检测。对一些物理量，诸如距离、速度、加速度、转速等进行测量，对材料的化学成分和力学、电磁性能进行评估，对设备表面和内部线缺陷裂纹实施在线检测、分类和重构。随着涡流检测技术更深入广泛地应用，实际工程问题对涡流检测技术提出了更高的要求，成为推动涡流问题研究向更复杂更具体方向发展的源动力。

目前关于电涡流传感器的研究主要集中在非磁性被测体方面，关于磁性被测体的研究较少。早在1998年，英国universityofDerby的Tian等人就研究了电涡流传感器的输出与被测体的电磁特性之间的定性关系，他在论文中指出，对于非铁磁性被测体，其电阻率对输出的影响较大，而对于铁磁性被测体，其相对磁导率和电阻率都会对输出产生影响。国内外很多文献也都指出了传感器输出对被测体电磁特性的敏感问题，并开展了相应的研究，但至今尚未发现改善这一缺陷的有效方法和思路。

二、电涡流传感器技术国内外研究现状

线圈的磁场分布直接影响传感器的性能，而线圈磁场分布又与探头结构和及其几何参数

紧密相关。因此目前国内外关于电涡流传感器性能影响参数的研究主要集中在对线圈及其几何参数的研究。比如Garcia和Fava分别提出了一种计算任意形状线圈生成的磁场分布的方法。Theodoulidis提出了在具有矩形截面的矩形柱线圈作用下，位于其正下方的半无限大导体中的涡流分布闭合表达式。Fava等人通过二阶矢量势方法得到了矩形螺旋线圈产生的电磁场的解析表达式。sabbag和Buvat提出用体积积分法模拟含磁芯的传感器的工作状况来解决铁氧体磁芯引入后代来的空心圆柱线圈数学模型不再适用的问题;Burke利用半经验模型预测含磁芯的传感器线圈阻抗，并利用汉克转换计算线圈阻抗值[3]。

国内对这方面的研究较少，主要是通过电涡流传感器对称轴上任意点的磁场强度与线圈几何参数的关系来反映电涡流传感器的性能。

目前传统的电涡流传感器处理电路一般都通过提取阻抗信号中的一个(电阻或感抗、幅值或相位)信息来反映被测量的变化，这方面的研究也较成熟。目前对电涡流传感器电路的研究主要集中在非线性校正和温度补偿方面[4]。

三、电涡流传感器未来发展趋势

随着计算机技术、人工智能和信号处理技术的迅速发展，涡流问题的研究也取得了长足进展，使涡流检测技术在飞机机翼与螺栓连接疲劳损伤检测、核电站热输出管道检测、飞机燃气涡轮发动机叶片检测、海底石油管道及以发电机组为代表的旋转机械等重要零部件检测中得以运用[5]。结合目前涡流检测技术研究存在不足，涡流检测技术的研究将会呈现以下趋势:

1.进一步完善不同被测体下线圈阻抗的求解理论。这里的不同被测体是指具有不同电磁特性的被测体。关于该方面的研究应包含两部分:一是不同被测体下线圈阻抗表达式的理论推导;二是研究获得线圈阻抗值的算法。当电磁场理论应用于电涡流传感器时，因为自身几何结构和边界条件的复杂性，导致线圈阻抗推导过程及其的理论表达式相当复杂，因此不同被测体下线圈阻抗推导过程和阻抗求解算法将成为研究的热点。

2.电涡流传感器输出和被测体电磁特性之间的关系研究，实现电涡流传感器被测材料无关的新特性。工程中用于检测一种材料的传感器不能用于其他材料的检测，这种情况不仅限制了传感器的使用范围，耗费更多资源。同时目前工程中使用的某些材料无法确切知道其化学成分，这使得传感器调试困难。因此通过对电涡流传感器输出和被测材料电磁特性之间关系的研究[6]，为消除传感器输出与被测材料的相关性提供理论指导。

总结

针对电涡流传感器的优点和发展的现状，得出如何提高传感器的测量范围是首要问题的结论。对于如何提高传感器的测量范围，从二个方面入手解决：1、进一步完善不同被测体下

线圈阻抗的求解理论。2、电涡流传感器输出和被测体电磁特性之间的关系研究，实现电涡流传感器被测材料无关的新特性。

【参考文献】

[1]何金田.传感器技术(上、下册)[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2004:1-10.

[2]何希才,薛永毅,姜余祥.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版

社.2005:1-15.

[3]周继明,江世明.传感技术与应用[M].长沙:中南大学出版社.3(2005):125-133.

[4]凌保明,诸葛向彬,凌云.电涡流传感器的温度稳定性研究[J].仪器仪表学

报.1994.15(4):342-346.

[5]任吉林.涡流检测技术近20年的进展[J].无损检测.1998.22(5):121-128.

[6]许永兴.电磁场理论及计算[M].同济大学出版社.1994.12 .