電渦流傳感器的穩定工作條件研究

陳宏 吳建德 邵帥 鄧焰

摘 要 為了研究電渦流傳感器測量系統的工作穩定性，提出了采用試驗設計和響應曲面方法分析電渦流傳感器的穩定工作條件。通過對電渦流傳感器測量系統影響因子的研究，分析顯著影響因子的工作特性，建立工作模型，研究電渦流傳感器對微小位移的檢測能力。研究表明，在電渦流傳感器測量系統中，激勵源和測試距離是顯著影響因子，當激勵源頻率在（15Hz，27.5Hz）之間，激勵源電壓幅度在（4V，28V）之間，電渦流傳感器在（2mm，10mm）之間的測試距離內檢測微小位移，線性度最好，性能可靠，這對于改善實驗設備的質量水平提供了科學的實驗分析，具有重要的實用價值。

關鍵詞 電渦流傳感器 非接觸測量 激勵源 試驗設計 響應曲面方法

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.03.019

Abstract In order to study the stability of eddy current sensor measurement system， the working conditions of eddy current sensor measurement system is explored by the Design of Experiments and the Response Surface Methodology. The characteristics of significant factors are analyzed， the working model is set up， and the testing ability of eddy current sensor on the micro distance is studied. It demonstrates that the driving source and the distance are the significant factors. When the driving frequency is between 15Hz to 27.5Hz， the driving voltage is between 4V to 28V， the Eddy Current Sensor achieves the testing distance of 2mm to 10mm with the best linearity and reliability of the eddy current sensor measurement system， which demonstrate the important practical value to improve the quality of the experimental instruments by scientific analysis.

Keywords Eddy Current Sensor； non-contact measurement； driving source； design of experiment； Response Surface Methodology

0 引言

電渦流式傳感器是一種能夠非接觸測量的傳感器。電渦流傳感器是利用被測金屬導體和傳感器之間的電渦流效應進行位移測量 。[1]具有結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、體積小、不受油污等介質的影響等優點。[2]在損傷檢測、[3]盾構滾刀磨損檢測、[4]地下金屬管線檢測、[5]壓縮機軸系儀表安裝監控、[6]金屬板材厚度監測、[7]鈔票檢測、[8]載荷應力監測、[9]磨漿間隙測量[10]等工業的測試中應用非常廣泛，是一種無損檢測的檢測技術。電渦流傳感器是測量毫米級單位的微小位移變化的高精度測量，但是影響電渦流傳感器測量系統工作的因素較多，在眾多影響因素共同作用下，常常會造成測量結果不準確，測量誤差偏大，有時甚至產生故障，無法完成實驗任務。為此本文分析電渦流式傳感器的統計模型，研究顯著因子的變化特性，驗證其正確性，得到最優線性度的工作范圍，這對于提高電渦流傳感器測量微小位移變化的工作能力，改進實驗設備的測量水平具有重要意義。

1電渦流傳感器測量系統

1.1 工作原理

電磁感應是一種非恒定的暫態效應，1831年10月17日，法拉第發現在相同條件下不同金屬導體回路中產生的感應電流與導體的導電能力成正比。根據法拉第電磁感應定律，當傳感器的激勵線圈中通以正弦交變電流時，線圈周圍空間將產生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導體表面產生感應電流，電渦流又會產生新的交變磁場H2。H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導致激勵線圈的等效阻抗相應地發生變化。由電磁感應原理產生的漩渦狀感應電流稱為電渦流，且該電渦流所產生的磁場的方向與原方向相反。[1]這種現象稱為電渦流效應。如圖1所示。[2，4]

當改變激勵線圈與金屬導體的間距并保持其他參數不變，則可通過相應的測量電路通過測得值的變化來實現傳感器探頭與金屬表面間距的測量。[4]

1.2 電渦流傳感器測量系統的組成

電渦流式傳感器測量系統由電渦流傳感器，激勵信號，放大電路組成，測量結果在示波器上顯示，如圖2所示。

在測量中，線圈和被測金屬導體是固定的材料，金屬導體的物理特性保持不變，在激勵信號源的作用下，線圈阻抗隨著線圈與金屬導體表面的距離變化，電渦流傳感器測量系統把這種變化轉化成電壓的改變，測量系統中輸出電壓信號的峰峰值顯示距離的變化。

2電渦流傳感器測量系統的影響因素分析

2.1電渦流傳感器測量系統的數據采集

根據流傳感器測量系統的工作原理，輸出電壓信號的大小隨線圈到被測金屬導體表面之間的間距而變化，輸出電壓信號的頻率和間距變化在工作原理上沒有直接聯系，為此在電渦流傳感器測量系統研究實驗中，研究的輸出信號是電壓峰峰值，輸入信號是可能影響電渦流傳感器測量系統的因子，需要確定數量和規模。畫出魚骨圖，如圖3所示。

根據圖3分析，第一，測試人員的“情緒”、“體力”和“人的技能”都可以歸結于“人員”因，把測試人員的變化因素設定為“好”、“不好”2種狀態。第二，“電阻”、“導線”、“電渦流傳感器”和“示波器”是測試儀器，“示波器”已經校準，“電阻”的精度在測量過程中保持恒定，只有“電渦流傳感器”和“導線”在測量中有“好”和“不好”2個狀態。第三，音頻“激勵源”是整個測量系統的激勵信號，有“好”和“不好”2個狀態。位移變化的“距離”是線圈到被測金屬導體表面之間的間距，間距過大會影響電渦流傳感器的工作，為此有在測量范圍內和范圍外2個狀態。第四，根據測量步驟需要進行“差動放大器調零”，這個操作有“正確完成”和“不正確完成”2個狀態。第五，線圈的環境的“照明”、“氣壓”、“溫度”、“濕度”和“電磁場”，在測量過程中一直保持恒定，不是變量，不作為測量系統的影響因素?！熬€路導通”表明是否連接正確，連接不正確就沒有輸出信號，而且可以及時發現，所以“線路導通”不是變量，不作為測量系統的影響因子。

從上面的分析得知在電渦流傳感器測量系統中影響測量結果的輸入因素有：“人員”、“電渦流傳感器”、“導線”、“激勵信號”、“距離”、“差動放大器調零”6個變量的影響因素，輸出為電壓峰峰值，根據影響因素的對應級別分為用1和–1表示，測量并記錄數據，如表1所示。

2.2電渦流傳感器測量系統的模型擬合

對采集的數據建立統計模型，分析模型得到的結果如表2所示。

根據表2的擬合報告，可以判定模型擬合的結果。根據假設檢驗的判定方法，設定原假設H0“因素在統計上不顯著”，備擇假設HA“因素在統計上顯著”，設定Z=0. 05，表2 中 “主要因素”的P值為0. 048Z，不能拒絕原假設H0，即說明“二階交互”和“三階交互”在統計上不顯著，在試驗設計中無須加入更高階次的交互作用?！扒省痹诒?的P值為0.216>Z，于是得到結論“曲率”在統計上不顯著，因而說明模型擬合良好，這說明沒有異常的曲率，模型擬合良好。

2.3電渦流傳感器測量系統的影響因子分析

在模型中，每個因素以及交互作用的影響程度，如圖4所示。

從圖4可以看出，“音頻激勵”、“距離”是顯著影響因子，具體的影響因子及其交互作用的統計分析如表3所示。

根據假設檢驗的判定方法對表3中的影響因子進行判斷，原假設H0“在統計上不顯著”，備擇假設HA“在統計上顯著”，設定Z= 0.05，表3“人員”的P 值為0.324，顯著性水平的可能性P>Z，不能拒絕原假設H0，即說明交互作用在統計上不顯著。同理，“傳感器”、“導線”、“調零”、“人員*傳感器”、“人員*導線”、“人員*音頻激勵”、“人員*距離”、“人員*調零”、“傳感器*音頻激勵”、“傳感器*調零”、“人員*傳感器*音頻激勵”、“人員*傳感器*調零”的P>Z，說明交互作用在統計上不顯著。但是“音頻激勵”和“距離”兩者的P

由于模型中有大量的非顯著因子，擬合模型的離差平方和R2離差平方和91.73%，離差平方和的校準值R2（adj）為60.71%，兩者差別很大，為此需要用顯著因子重新建立模型，分析顯著因子的變化趨勢，找出測量準確的工作范圍，提高電渦流傳感器測量系統的工作性能。

3電渦流傳感器測量系統的工作范圍及其驗證

3.1 建立顯著影響因子的統計模型

為了分析顯著影響因子“音頻激勵”和“距離”在電渦流測量系統中的作用，需要重新建立模型。把音頻激勵的電壓和頻率作為2個輸入條件，建立以“激勵電壓”、“激勵頻率”和“距離”3個變量的測量系統，采集數據，建立工作模型，試驗設計20次實驗，采集數據并記錄。得到擬合報告如表4所示。

根據假設檢驗的判定方法對表4的擬合結果做統計學上的判斷，設定原假設H0“在統計上不顯著”，備擇假設HA“在統計上顯著”，設定Z=0.05，表4 中 “歸一性”和“線性”的P Z，拒絕備擇假設H0， “二次項”、“交互”和“擬合不良”都不顯著，說明模型擬合良好。

此時擬合模型得到的的離差平方和R2= 98.9%，的離差平方和的校準值R2（adj） = 97.9%， R2（adj）和R2兩者很接近，說明擬合的模型能夠說明實際的測量特性。

接著從測量值與預測值的殘差分析，得到如圖5所示。

圖5（a）表明殘差是正態分布，圖5（b）表明殘差隨著擬合值的變化是隨機繞著均值的分布，圖5（c）得出殘差獨立分布，圖5（d）得出殘差是隨著實驗次數隨機分布。從上面的分析可以看出模型擬合良好。

3.2 確定工作范圍

統計模型的等高線圖，可以看出顯著影響因子之間的變化關系。如圖6所示。

在圖6中可以看出，在激勵源頻率（15Hz，27.5Hz）之間，激勵源幅度在（4V，28 V）之間，測試距離在（2mm，10mm）具備最佳工作能力。

3.3 驗證

根據上面的結果，設定激勵源信號的工作范圍，頻率在（15Hz，27.5Hz）之間，激勵源電壓幅度在（4V，28 V）之間，測量微小位移，記錄數據，如圖7所示。

從圖7可以看出，設定激勵源頻率在（15Hz，27.5Hz）之間，激勵源電壓幅度在（4V，28 V）之間，測試距離在（2mm，10mm）穩定工作，此時測量結果的線性度和精度很好。

4 結語

電渦流傳感器是一種性能優良、能夠測量多種參量的傳感器實驗設備。[11]在高校本科教學中電渦流傳感器實驗是傳感器技術的重要部分。實驗設備的質量狀況直接影響教學效果，在實驗室教學設備的維護中，把構建的統計分析的數學模型和實際應用結合起來，[12]通過數理統計方法對真實的實驗中的影響因子進行模擬分析，獲得多維參數建立的曲面空間的最優位置，[13]找出穩定工作的條件。在電渦流傳感器測量系統中，篩選電渦流傳感器測量系統的顯著影響因子，分析顯著影響因子的工作特性，確立并驗證電渦流傳感器測量系統最佳線性度的工作范圍。研究表明當激勵源頻率在（15Hz，27.5Hz）之間，激勵源電壓幅度在（4V，28V）之間，在（2mm，10mm）的測試距離內檢測微小位移的能力最好，電渦流傳感器線性度好，靈敏度高。這一研究對于有效提高電渦流傳感器實驗設備的質量水平，改進實驗教學效果，提供了科學的實驗分析，具有重要的實用價值。

參考文獻

[1] 劉柱，李巍，金建新.電渦流傳感器的特性分析與標定方法[J].機械與電子，2013.2：14-16，20.

[2] 李紅偉，劉淑琴，于文濤，等.電渦流傳感器檢測磁懸浮轉子軸向位移的方法[J].儀器儀表學報， 2011.32（7）：1441-1448.

[3] 焦勝博，程禮，何宇廷，等.貼附式渦流傳感器損傷監測特性仿真與實驗研究[J].推進技術，2015.36（11）：1705-1713.

[4] 李東利，孫志洪，任德志，等.電渦流傳感器在盾構滾刀磨損監測系統中的應用研究[J].隧道建設， 2016.36（6）：766-770.

[5] 李偉鋒，秦勇，周彤，等.地下金屬管線無損檢測儀中渦流傳感器的阻抗分析[J].傳感器技術， 2011.24（6）：843-847.

[6] 張彥，何龍.電渦流式振動位移傳感器的應用[J].自動化與儀表， 2013.5：64-67.

[7] 李文濤，劉志偉，王志春.基于渦流傳感器的非接觸式金屬板厚度測量系統[J].科學技術與工程， 2016.16（15）：223-227.

[8] 譚棟，黎明.電渦流式鈔票厚度檢測傳感器設計[J].電子技術， 2014.3：74-76，70.

[9] 徐瑤，潘孟春，田武剛，等.用于應力監測的新型平面柔性渦流傳感器[J].測試技術學報，2012.26（4）：354-362.

[10] 張輝，李忠正，范文.電渦流傳感器測量旋轉齒盤位移的特性研究[J].振動、測試與診斷，2008.28（1）：44-49.

[11] 方秋華，田新啟，茅佩.渦流傳感器溫飄補償[J].東南大學學報，1995.25（5）：47-51.

[12] 張平安，宋蓮軍，等.響應曲面法優化紅棗醋澄清工藝的研究[J].河南工業大學學報（自然科學版），2007.28（6）：70-72.

[13] 施文，許茂增，等.基于RSM的越庫配送系統參數優化[J].計算機應用研究，2009.26（8）：2956-2958，2961.