电涡流位移传感器设计与运用分析

电涡流位移传感器设计与运用分析

高强

善测（天津）科技有限公司  天津  300381

摘要：为了保证发电机效率更高，磁悬浮轴承技术的应用必不可少，它可以降低发动机的重量，而电涡流位移传感器就是磁悬浮轴承技术中的一部分。基于此，本文主要是对位移传感器的类型进行分析，并提出了电涡流位移传感器具体的设计和运用，分别是传感器信号处理电路、传感器探头设计、峰值检波电路设计、传感器试验分析，通过设计使得传感器能够对磁悬浮轴承的位移情况进行检测，了解其变化，提升位移检测的灵敏程度。

关键词：电涡流；位移传感器；磁悬浮轴承技术

引言：电涡流位移传感器主要是基于涡流互感效应，利用自身的探头与被测物体进行隔空检测，从而减少被测物体的损伤，使得磁悬浮轴承的位移情况精密，从而也就提升了电机的效率，保证其工作的质量。在对其进行设计和运用的过程中，主要是从信号处理、探头、检测波动等方面进行分析，保证位移传感器的性能得到优化，其检测范围能够更加灵敏和高效。

1.位移传感器常用类型

1.1电感式位移传感器

对于磁悬浮的轴承系统来说，对其转子位移进行检测的主要设备就是位移传感器，位移传感器中大体可以分为三种，一种是电感类型，一种是电容类型的，还有一种就是电涡流类型的。对于电感式来说，主要是分为自感式和互感式的，互感式的传感器则是利用检测线圈，对耦合磁通量进行检测，其中检测的线圈和激励线圈的位移是相对的。而自感类型的则是取消了检测线圈，把两种线圈融合成为了一种，使其可以产生相对应的耦合电磁通，然后在线圈的两端存在电压。其传感器在进行检测的时候，主要是依据电磁耦合情况，检测出被测物体的位移变化，然后转变成电压信号进行传递[1]。

1.2电容式位移传感器

电容式的位移传感器自身的结构是比较简单的，主要的形式就是平行平板的电容测量。在其运转的时候，如果一个恒定的高频交流电加在传感器自身的电容上，那么传感器所输出的电压和电容之间的距离就成正比，这也就是测量位移距离的调幅波。此类型的位移传感器在检测时不会受到温度的影响，所以其适用于温度变化幅度较大的环境中进行检测。

1.3电涡流位移传感器

电涡流位移检测技术则是在上世纪70年代发展起来的，主要是利用电磁感应技术，实现传感器与被检测设备之间无接触，减少了设备的磁损现象。对于电涡流位移传感器来说，其测量范围比较大，而且结构相对简单，抗干扰的能力也比较强，可以对设备的位移情况、厚度、振动幅度等进行全面检测，其在石油化工、电力、机械、航天等领域都得到了广泛的发展，是设备运行中不可缺少的一个零件。电涡流位移传感器的主要原理就是把设备中的位移、振动、转速等一些被测量的非电量，转换成了线圈的自感或者是互感系数，从而对这部分内容实现了无接触电测的效果，也保证了位移检测的准确度和精密度。

2.电涡流位移传感器的设计与运用

2.1传感器信号处理电路

由于电涡流位移传感器在检测的时候，是把其位移情况转换成电信号，实现了检测，这就要求传感器的探头线圈要和被测设备之间存在的电磁耦合，转换成探头自身的输出阻抗，而信号处理电路就把这部分的阻抗转换成直流的电压进行信号传输。由于传感器的探头线圈是可以当成串联线圈的电阻，而位移的变化也是通过线圈和被测设备之间的电磁耦合情况显示出来的，所以在进行信号转换电路的时候就会选择使用振荡电路。振荡电路则是在没有外力信号干扰的情况下，利用自身电路中的自激振荡所产生的波形，向外输出电压，这一电路结构在形成振荡的时候必须要在闭环电路充足的情况下，而且要保证初始的信号经过环路运转时候，可以不断增强。振荡电路处理信息的类型也大体分为了三种形式，分别是恒定频率调幅电路、变动频率调幅电路以及调频电路。这三种电路可以通过振荡信号电压值的转换来使位移通过电路显示出来，使传感器信号处理得到优化。

2.2传感器探头设计

对于电涡流类型的位移传感器来说，在进行检测的时候，探头是最重要的设备，它在检测过程中需要和被测的设备或者是材料同时处于相同的空间内。在选择探头基底和外壳材料的时候，可以选择塑料类型的材料，而探头的线圈则选择漆包线的材料，主要是在线圈的外部包裹一层油漆，从而起到绝缘效果。这些材料能够在常温的环境中起到一定作用，但是如果一旦空间温度超过300摄氏度，那么传感器探头就会受到影响，不能继续进行检测。为了保证其在高温环境下也能正常的工作，探头外部材料不会变软，所以就可以选择氧化的铝陶瓷材料作为线圈基地的材料，可以起到比较好的耐高温作用，并且导热的性能也比较好。对于探头线圈在选择绕线的时候，要保证其在任何环境、温度下都能正常的工作，其绝缘效果不能受到外部的影响。所以在进行探头绕线的时候，其材料也要选择耐高温、耐腐蚀的材料，同时导线需要在探头的基底也进行缠绕，这样的设计就能保证探头绕线具有比较高的柔软性和耐磨性。对于探头的外壳设计时，在进行基底绕线之后，也需要在线圈的外侧再加上一个外壳，外壳尽量选择坚硬的固体，这样才能对探头线圈起到保护和固定的作用，保证探头在进行位移检测时更加精准

[2]。

2.3峰值检波电路设计

对于传感器中的峰值检波电路进行设计的时候，最主要的设计目标就是要保证其直流电压是稳定的。在传感器峰值检波的电路中，其所输入的正弦信号就是信号正在发生电路在并联谐振的电路上输出的一个分电压，其分电压的大小情况是与谐振电路的输出频率有关，这样就可以对被测位移的大小进行显示，使其检测效果得到提升。从电路的结构上来看，峰值检波电路在对位移检测进行显示的时候，主要的过程就是先通过整流电路部分，把输入的交流信号之间转换成输出的直流信号，从而实现对整个电路结构的控制。进行低通类型的滤波传递，这一过程的主要目的就是把输入信号所带的一些噪声进行消除，并且保留下有用的信号。然后要对其电路进行放大，并输出了缓冲级，由于位移传感器是对位移的信号进行检测，所以将要将其检测到的信号通过采样，传输到信号处理芯片中，对信号进行放大处理，主要是对信号中已经偏置的电压进行调整，并且对其灵敏度进行调节，并把已经转换后的电压进行输出，完成位移的检测。

2.4传感器试验分析

对电涡流位移传感器进行设计之后，就要进行试验操作，先设计传感器的标准试验台，把传感器放置在试验台的固定位置上，使其固定，然后把被测轴固定在另一个可以平移的平台上，使其可以自由移动，具体移动是要依靠旋转坐标来进行的，移动的精度要尽量达到0.01毫米。选择被测物体的时候，尽量选择一些铝材料，对于耦合电阻中的分压来说，传感器两端电压的初始值是随着电阻的逐渐增大而缩小的。通过试验可以发现，如果耦合电阻越大，那么峰值的变化和灵敏度也就越高，在传感器和被测物体之间的距离控制在0-1毫米的时候，传感器进行位移检测的灵敏程度和精细程度就是最高的，发挥出了位移传感器的作用。

结论：综上所述，对电涡流位移传感器进行分析，能够保证传感器对位移检测的精度更好，在检测过程中不会出现磁损情况。通过传感器对磁悬浮轴承的转子进行位置检测，可以使其精度得到控制，保证传感器检测的效率，并且通过检测使轴承和发动机的安全性得到提升。

参考文献：

[1]郑建忠.电涡流振动位移传感器自动检定技术方案研究[J].中国仪器仪表,2022(08):79-83.

[2]李昌,周松斌.基于数字锁相放大器的电涡流位移传感器[J].电子器件,2022,45(02):445-449.