電渦流傳感器陣列測試技術(shù)

作者：時間：2011-03-27 來源：網(wǎng)絡(luò)

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電渦流傳感器是一種基于電渦流效應(yīng)的無損、非接觸式的傳感器，以其優(yōu)良的測試性能，在機械量的測量以及金屬材料的無損檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電渦流傳感器陣列測試技術(shù)的研究始于2O世紀80年代中期，在20世紀80年代末到90年代初，出現(xiàn)了一批電渦流陣列測試方面的文獻和專利。近十年來，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展以及加工工藝技術(shù)水平的提高，電渦流傳感器陣列測試的研究和應(yīng)用得到極大的發(fā)展，不僅用來測量大面積金屬表面的位移，而且由于具有同時檢測多個方向缺陷的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于金屬焊縫的檢測，飛行器金屬部件的疲勞、老化和腐蝕檢測，渦輪機、蒸氣發(fā)生器、熱交換器以及壓力容器管道等的無損檢測中。

采用陣列式傳感器，不需使用機械式探頭掃描即可實現(xiàn)大面積范圍的高速測量，且能夠達到與單個傳感器相同的測量精度和分辨率，有效地提高了傳感器系統(tǒng)的測試速度、測量精度和可靠性，此外，傳感器陣列的結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可以非常方便地對復(fù)雜表面形狀的零件進行檢測，因此，陣列式傳感器的研究成為當(dāng)前傳感器技術(shù)研究中的重要內(nèi)容和發(fā)展方向。

本文基于一種扁平柔性電渦流傳感器陣列，對電渦流傳感器的陣列測試技術(shù)進行了研究，采用時分多路的陣列測試方法，實現(xiàn)大面積金屬表面的接近式測量。通過對傳感器探頭的線圈陣列及引線結(jié)構(gòu)形式的合理設(shè)計，配合后續(xù)的處理電路及計算機控制，完成電渦流位移傳感器陣列的快速、高精度測量及大面積金屬曲面部件位置狀態(tài)的實時監(jiān)測。

1、電渦流檢測的基本原理

電渦流檢測的工作原理是檢測激勵線圈磁場和感應(yīng)渦流磁場之間的交互作用。當(dāng)敏感線圈通入交流電流時，線圈周圍就會產(chǎn)生交變磁場，如圖1(a)，如果此時將金屬導(dǎo)體耙材移入此交變磁場中，耙材表面就會感應(yīng)出電渦流，而此電渦流又會產(chǎn)生一個磁場，該磁場的方向與原線圈磁場的方向正好相反，而減弱了原磁場。

圖1 電渦流檢測的原理

電渦流傳感器通常有兩種檢測方法。一種是單線圈檢測的方法，通過檢測敏感線圈阻抗的變化來反映磁場的變化情況。線圈的等效阻抗z一般可表示為函數(shù)：

Z=F(σ，μ，f，x，r)

式中：σ，μ分別是被測金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率；f是激勵信號的頻率；x是線圈與金屬導(dǎo)體的距離；r是線圈的尺寸因子，與線圈的結(jié)構(gòu)、形狀以及尺寸相關(guān)。

可見，線圈阻抗的變化完整而且唯一地反映了被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。實際檢測時，對不需要的影響因素加以控制，就可以實現(xiàn)對上式中某個相關(guān)量的檢測。作為接近式傳感器，線圈到金屬耙材之間的距離與線圈的阻抗直接相關(guān)，而檢測金屬表面或近表面的缺陷時，缺陷的存在將引起被測導(dǎo)體電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，進而使線圈的阻抗參數(shù)發(fā)生改變。

另一種方法是雙線圈檢測，如圖1(b)，通過使用另外一個線圈作為檢測線圈，檢測這兩個磁場的疊加效果。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，檢測線圈中將會產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢：

式中：ψ是通過線圈的交變磁場的磁通量；n是線圈的繞線圈數(shù)。

通過測量檢測線圈中產(chǎn)生的電壓即可非常容易地得到磁場的變化情況。

2、電渦流陣列測試技術(shù)

2.1 電渦流陣列的形式

與其它一些傳感器相比，電渦流傳感器具有一個比較突出的優(yōu)點——探頭的結(jié)構(gòu)非常簡單。從電渦流檢測的基本原理可以看出，電渦流傳感器探頭的關(guān)鍵部件是敏感線圈，因此電渦流陣列測試一般都是采用線圈陣列的方法，而不是將多個獨立的傳感器探頭布置成陣列形式來使用。針對不同的測試條件和技術(shù)指標要求，線圈陣列可以設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)和形式，以實現(xiàn)復(fù)雜形面部件的檢測，但線圈陣列及其匹配電路的針對性設(shè)計也帶來了相對昂貴的成本。

雖然電渦流線圈陣列結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計靈活多變，但仍然可以根據(jù)其檢測方式的不同，大體歸為兩種典型的陣列類型。① 基于單線圈檢測的電渦流陣列，如圖2(a)所示，一般是直接在基底材料上制作多個敏感線圈，布置成矩陣形式的陣列，而且為了消除線圈之間的干擾，相鄰線圈之間要保留足夠的空間。這種電渦流陣列大多用于大面積金屬表面的接近式測量，檢測部件的位置、表面形貌、涂層厚度以及回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外徑等，也可以用來檢測裂紋等表面缺陷。② 基于雙線圈方式的電渦流陣列檢測，一般設(shè)計為一個大的激勵線圈加眾多小的檢測線圈陣列的形式，如圖2(b)，它能夠非常有效地實現(xiàn)大面積金屬表面上多個方向的缺陷的檢測，在無損檢測的應(yīng)用上具有較大的優(yōu)勢，已基本取代單線圈檢測的應(yīng)用。除此以外，近年還出現(xiàn)了一種基于電渦流效應(yīng)的環(huán)繞線圈磁力計陣列L1 ，它實際上是一種基于雙線圈檢測的陣列類型，通過對激勵線圈和檢測線圈陣列結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，以取得較好的測試性能。

圖2 電渦流陣列形式

2.2 電渦流陣列的測試方法

電渦流傳感器響應(yīng)速度快的特點使其能夠很好地采用電子掃描測試的方法，通過控制模擬開關(guān)，逐個掃描全部的陣列單元，實現(xiàn)傳感器陣列中所有敏感單元的檢測。采用掃描采樣的方法，能夠大大簡化傳感器的后續(xù)電路，降低系統(tǒng)的成本，而且有利于傳感器系統(tǒng)的小型化，但是由于模擬開關(guān)的引入，也導(dǎo)致傳感器的測試精度有所下降。

電渦流傳感器陣列測試的關(guān)鍵還在于線圈陣列的引線設(shè)計，圖3是幾種常用的基于單線圈檢測原理的引線設(shè)計模式。圖3(a)是敏感線圈兩端分別引線的設(shè)計模式，圖3(b)是行列垂直掃描式的引線設(shè)計。采用行列垂直結(jié)構(gòu)形式的目的是為了減少傳感器陣列的外接引線數(shù)目，這對于傳感器的實際應(yīng)用具有重要意義，但同時又不可避免地帶來了各陣列單元間的串?dāng)_，降低了測量精度。解決串?dāng)_的問題，最簡單的方法就是每個陣列單元單獨引線(圖3(a))，另外也可以將預(yù)處理電路與敏感單元集成，做成一體化的集成傳感器單元，而其代價將是高昂的制作成本。有時為了提高掃描采樣的速度，還會采用一種行掃描采樣的方法，即每次掃描一行，從而大大提高傳感器陣列的測試速度，但需要增加預(yù)處理電路的數(shù)量。

圖3 電渦流陣列測試方法

本文電渦流傳感器陣列是用來實現(xiàn)金屬表面的接近式測量，故而采用單線圈檢測的陣列形式。其測試方法是在上述兩種設(shè)計方案的基礎(chǔ)上加以折中，將所有線圈的一端作為公共端并接地，另一端分別引出與模擬開關(guān)連接，如圖3(c)所示。相對于行列垂直引線，這種設(shè)計方法雖然引線數(shù)目較多，但卻能大大減小線圈之間的串?dāng)_，提高測量精度，對于陣列數(shù)較少的測試系統(tǒng)，優(yōu)勢尤為明顯。而且采用這種引線方式，模擬開關(guān)便可選用一對多的多路復(fù)用器，能夠有效地簡化控制電路，使后續(xù)的處理電路進一步小型化。

3、系統(tǒng)實現(xiàn)與試驗

3.1 電渦流陣列的設(shè)計和制作

根據(jù)上述的測試方法，設(shè)計并制作了一種扁平的柔性電渦流傳感器陣列，如圖4，是傳感器探頭的結(jié)構(gòu)簡圖。傳感器的探頭由敏感線圈陣列及線圈引線所形成的一條引線電纜組成。在一般的使用情況下，探頭的線圈陣列多設(shè)計為與圖2(a)類似的平面矩形結(jié)構(gòu)(圖4(a))，這里為了更加方便、可靠地實現(xiàn)對復(fù)雜形狀形面的檢測，線圈陣列被設(shè)計為一種條形分叉式結(jié)構(gòu)(圖4(b))，而且根據(jù)被測表面形狀的不同，線圈陣列的形狀還可以有所不同。圖4(b)中線圈陣列設(shè)計為兩條平行的條形結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)金屬管道的檢測，如果被測曲面為一般平滑曲面，還可以考慮設(shè)計成垂直條形結(jié)構(gòu)或者6條分叉式結(jié)構(gòu)。線圈陣列中各敏感線圈的引線設(shè)計為一條細長的扁平引線電纜，這在大面積曲面間小位移測量的應(yīng)用中非常重要。引線電纜直接通過插頭與處理電路連接，由計算機控制實現(xiàn)傳感器陣列的循環(huán)掃描測試。

圖4 電禍沉陣歹U的設(shè)計