電渦流金屬材料分析傳感器的製作方法
2023-10-27 17:01:52 1
專利名稱：電渦流金屬材料分析傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電渦流傳感器，尤其是 用於金屬材料分析的電渦流傳感
O
背景技術：
電渦流傳感器是建立在電磁場理論的基礎上工作的。從結構上來看，電渦流 傳感器就是一個線圈，在線圈內通以交流電，則在線圈周圍將產生交變磁場。金屬導 體置於變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流象水中漩渦那樣在導體內 轉圈，所以稱為電渦流，這種現象稱為電渦流效應；根據電磁場的理論，導體的電阻率 P、導磁率μ、導體厚度d，以及線圈與導體之間的距離X、線圈的激勵頻率ω等參數， 都將通過電渦流效應與磁效應與線圈參數(線圈阻抗Ζ，電感L和品質因數Q)發生聯 系。或者說，線圈參數是導體參數的函數。固定其中若干參數不變，就能按渦流大小測 量另外一個參數，電渦流傳感器就是按此原理構成的。這種傳感器已廣泛用，譬如位移 傳感器，振動傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器、硬度傳感器以及探傷傳感器等；而目 前用於在金屬材料性能分析方面仍然採用傳統的光譜分析的方式，價格昂貴、分析過程 複雜，只有在一些專業的科研院所和專業的實驗室才有使用，不適用於小型製造企業。
實用新型內容為了克服上述缺陷，本實用新型的目的在於提供一種結構簡單、成本較低、靈 敏度高、適用性強的電渦流金屬材料分析傳感器。為了達到上述目的，本實用新型的電渦流金屬材料分析傳感器，包括外殼，用於容置傳感器線圈及骨架；骨架，呈筒狀，由高導磁材料製成，一端設置在待測金屬基板附近；傳感器線圈，纏繞設置在所述骨架上；信號源，用於為所述傳感器線圈提供交流電信號，以在所述待測金屬基板平面 上產生渦流；檢測電路，連接所述傳感器線圈，用於檢測在所述待測金屬基板平面上產生的 所述渦流並設有輸出端。特別是，所述的外殼呈圓柱狀，由上、下兩部分通過螺紋連接構成；其中，下 部分為探頭，內部設置有容置空間，所述外壁纏繞設置有傳感器線圈的骨架設置在所述 容置空間內；上部分為前置器，內部也設置有容置空間，所述檢測電路設置在該容置空 間內，中心部位穿設有用於連接交流電源的電纜與傳感器線圈連接；所述上、下部分連 接處均設置有兩導電觸頭通過導線對應與檢測電路和傳感器線圈連接。其中，所述骨架和傳感器線圈外部與探頭容置空間內壁之間填充設有絕緣材 料。進一步地，所述的檢測電路為諧振式電路、正反饋法測量電路或電橋法測量電路。上述的結構，用電渦流傳感器對不同類型標準金屬材質測量時，引起的磁通量 變化不同及電感量的差異，這種磁通量變化及電感量的差異通過檢測電路轉變成電信號 經輸出端輸出，利用此種結構的電渦流傳感器可製成金屬材質測量儀，且可以實現接觸 式或非接觸式金屬材質的測量；將所述電渦流金屬材料分析儀輸出端輸出的電信號經數 字處理並進行儲存，儲存的數據作為標定值，再對測量對象測量時，將測量的數值與標 定值進行比較，這樣就可以判斷測量對象是某種金屬材質，由於電渦流式傳感器是利用 電渦流效應進行工作的，由於結構簡單、靈敏度高、頻響範圍寬、不受油汙等介質的影 響，並能進行非接觸測量，適用範圍廣。
圖1為本實用新型具體實施例的剖視結構示意圖。圖2為本實用新型中高頻反射式電渦流傳感器原理圖。圖3為本實用新型中電渦流傳感器的原理示意圖。 圖4為本實用新型中電渦流傳感器的等效電路示意圖。圖5為本實用新型中檢測電路的諧振式電路圖。圖6為本實用新型中檢測電路的調諧曲線圖。圖7為本實用新型中檢測電路的反饋法測量電路。圖8為本實用新型中檢測電路的電橋法測量電路。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1-8所示，本實用新型的電渦流金屬材料分析傳感器，包括外殼1，用於容置傳感器線圈2及骨架3;骨架3，內部設置有的高導磁材料製成的筒狀殼體31，一端設置在待測金屬基 板4附近；傳感器線圈2，纏繞設置在所述骨架3上；信號源，用於為所述傳感器線圈提供交流電信號，以在所述待測金屬基板平面 上產生渦流；檢測電路5，連接所述傳感器線圈，用於檢測在所述待測金屬基板平面上產生的 所述渦流並設有輸出端。所述的外殼呈圓柱狀，由上、下兩部分11、12通過螺紋連接構成；其中，下部 分為探頭，內部設置有容置空間，所述外壁纏繞設置有傳感器線圈的骨架設置在所述容 置空間內；上部分為前置器，內部也設置有容置空間，所述檢測電路設置在該容置空間 內，中心部位穿設有用於連接交流電源的電纜6與傳感器線圈連接；所述上、下部分連 接處均設置有兩導電觸頭7通過導線對應與檢測電路和傳感器線圈連接。其中，所述骨 架和傳感器線圈外部與探頭容置空間內壁之間填充設有絕緣材料。所述的檢測電路為諧 振式電路、正反饋法測量電路或電橋法測量電路。上述的結構，非鐵磁性金屬的電導率測量和材質鑑別是渦流檢測技術的重要應用領域之一。電導率的測量是利用渦流電導儀測量出非鐵磁性金屬的電導率值。通過電 導率值的測量結果可以進行材質鑑別、熱處理狀態的鑑別以及耐應力腐蝕性能的評價。 材質鑑別可以是通過利用電導儀測量出不同材料的電導率值進行，也可以是利用其他型 渦流儀器(如渦流探傷儀，渦流測厚儀)檢測出由於材料導電性的差異而引起的渦流響應 的不同，並據此進行不同材料的鑑別，這種檢測往往不是定量測量，而是定性的測試分 析。相同厚度的不同板材在同一環境下產生的電渦流效應不同，通過測量傳感器輸出差 異，即可鑑別出對應於不同的金屬。高頻反射式電渦流傳感器結構簡單，主要由安置於骨架上得扁平圓形線圈構 成，如圖3所示。傳感線圈由高頻電流i激磁，產生高頻交變磁場，此在被側體平面上產 生電渦流。根據電磁感應定律，電渦流對起去磁作用，以阻止的變化。圖中表示由電渦 流產生的磁場，因而與反向。顯然傳感器線圈與被測體之間的距離S越小，電渦流效應 越強，從而把非電量S轉換為電量，以實現位移量的測量。(2)等效電路根據基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組RlI+jwLlIl-jwMI2 = Ul -jwMIl+R2I2+jwL2I2 = 0
Ul
Il=-w2M2, w2M2 Λ、
R2+jw(L1"R2+(WL22)2 L2) …Mil Mw2L2Il+ jwMR2IlmmIaTm - R22+(wl2)2由此可求得線圈受金屬導體渦流影響後的等效阻抗為
w2M2,w2M2 、Z=R1+R2R22+(wL2)2+jw(L1-L2R22+(wL2)2 )線圈的等效電感為
w2M2L=L1-L2R22+(wL2)2由式可見，由於渦流的影響，線圈阻抗的實數部分增大，虛數部分減小，因此 線圈的品質因數Q下降。阻抗由變為Z，常稱其變化部分為「反射阻抗」。Q = QO = (1-l2w2m2/l1z22) / (1+r2w2m2/r1z2)式中 qo = wl1/r1，無渦流影響時線圈的 q 值
Z2HR22 + L22 ,短路環的阻抗即ζ = F( δ，P，f，μΓ),高頻反射式電渦流傳感器
可以實現位移量的測量。(3)工作特性①電渦流的徑向密度電渦流的徑向密度與傳感線圈外徑有一定的比例關係。電渦流的徑向密度與傳感線圈對被測體間距δ成反比。②電渦流的貫穿深度電渦流的貫穿深度h與被測體渦流迴路電阻率P成正比，與其相對導磁率及電源頻率f成反比，其算關係如下
③電渦流效應的靈敏度 被測體材料物理性能的影響被測體幾何尺寸的影響非線性(4)器件選擇 電渦流傳感器的型號JJl ICWY-DO技術參數①探頭直徑0 8mm*> Φ 11mm、Φ 18mm、Φ 25mm②線性範圍2mm、4mm、8mm、8mm③靈敏度8.0V/mm士4%、4.0V/mm士4%、1.5V/mm士4%、1.5V/mm士4%④線性度系統誤差<士 1 %⑤頻響特性O IOKHZ⑥電纜長度(5米*、9米)⑦螺紋規格MlOX1、M14X1.5、M25X1.5、M30X2K⑧環境溫度探頭-10 +100°C (相對溼度<90% )該傳感器具有線性度好、靈敏度高、頻響特性範圍寬、適應環境廣等優點。檢測電路，用於將接收到的電渦流傳感器輸出的檢測信號轉換成有效電信號並 將該有效電信號進行放大處理後輸出；所述的檢測電路為諧振式電路、正反饋法測量電 路或電橋法測量電路；根據電渦流效應原理和等效電路，電渦流傳感器輸出的測量電路有下述三種形 式①諧振式，如圖5所示。諧振法是依據電路諧振原理，實現對電渦流傳感器輸出信號測量的方法。根據 LC諧振電路的幅值及頻率特性(Freguencyresponse)，又分為調幅法和調頻法。a)調幅法是以傳感線圈與調諧電容組成並聯LC諧振回來，有石英震蕩器提供高頻激磁電 流，測量電路的輸出電壓正比於LC諧振電路的阻抗Z，激磁電流和諧振阻抗Z越大，輸 出電壓越高。初態時，傳感器遠離被測體，調整LC迴路諧振頻率等於石英晶體振蕩器即
y。％WZ^。此時LC並聯諧振迴路的等效阻抗Z最大，即Z = ZO = 1/R』 C。式中R'是 諧振迴路的等效電 阻，式中的L即為傳感線圈自感Li.在諧振頻率以外，LC迴路的等效 阻抗將顯著減少，如圖6所示。當被測體為軟磁材料時，由於導磁率μ增加，諧振迴路的等效電感L增加， LC迴路諧振頻率減小，諧振曲線左移，諧振阻抗由初態最大值降至，對應的諧振頻率為 fl。當被測體為硬磁或非硬磁材料時，由於導磁率μ減小，等效電感L減小，LC迴路諧振頻率增大，諧振曲線右移，諧振阻抗由初態最大值降至。對應的諧振頻率為f2。由於並聯諧振電路輸出電壓，因而傳感線圈與被測體之 間距離S的變化，引起Z的變化，使輸出電壓跟隨變化，從而實現位移量的測量，故稱 調幅法。b)調頻法調頻法是以LC振諧迴路的頻率作為輸出量，直用頻率計測量；或通過測量LC 迴路等效電感L，間接測量頻率變化量。②正反饋電路法，如圖 ③電橋法，如圖圖中和為傳感器兩線圈電感，分別與選頻電容和並聯組成兩橋臂，電阻和組成 另外兩橋臂。靜態時，電橋平衡，橋路輸出=0。工作時，傳感器接近被測體，電渦流 效應等效電感L發生變化，測量電橋失去平衡，即興0，經線性放大後送檢波器檢波後輸 出直流電壓U顯然此輸出電壓U的大小正比於傳感器線圈的電感量，以實現對金屬材質 的測量。非鐵磁性金屬的電導率測量和材質鑑別是渦流檢測技術的重要應用領域之一。 電導率的測量是利用渦流電導儀測量出非鐵磁性金屬的電導率值。通過電導率值的測量 結果可以進行材質鑑別、熱處理狀態的鑑別以及耐應力腐蝕性能的評價。材質鑑別可以 是通過利用電導儀測量出不同材料的電導率值進行，也可以是利用其他型渦流儀器(如 渦流探傷儀，渦流測厚儀)檢測出由於材料導電性的差異而引起的渦流響應的不同，並 據此進行不同材料的鑑別，這種檢測往往不是定量測量，而是定性的測試分析。相同厚 度的不同板材在同一環境下產生的電渦流效應不同，通過測量傳感器輸出差異，即可鑑 別出對應於不同的金屬。本設計採用電橋法檢測電路，這種電路具有線性放大作用，放大後的信號送檢 波器檢波後輸出直流電壓U顯然此輸出電壓U的大小正比於傳感器線圈的電感量，以實 現對金屬材質的測量。本實用新型不局限於上述實施方式，不論在其形狀或結構上做任何變化，凡是 利用上述的電渦流金屬材料分析傳感器都是本實用新型的一種變形，均應認為落在本實 用新型保護範圍之內。
權利要求1.一種電渦流金屬材料分析傳感器，其特徵在於，包括外殼，用於容置傳感器線圈及骨架；骨架，呈筒狀，由高導磁材料製成，一端設置在待測金屬基板附近；傳感器線圈，纏繞設置在所述骨架上； 信號源，用於為所述傳感器線圈提供交流電信號，以在所述待測金屬基板平面上產 生渦流；檢測電路，連接所述傳感器線圈，用於檢測在所述待測金屬基板平面上產生的所述 渦流並設有輸出端。
2.如權利要求1所述的電渦流金屬材料分析傳感器，其特徵在於，所述的外殼呈圓柱 狀，由上、下兩部分通過螺紋連接構成；其中，下部分為探頭，內部設置有容置空間， 所述外壁纏繞設置有傳感器線圈的骨架設置在所述容置空間內；上部分為前置器，內部 也設置有容置空間，所述檢測電路設置在該容置空間內，中心部位穿設有用於連接交流 電源的電纜與傳感器線圈連接；所述上、下部分連接處均設置有兩導電觸頭通過導線對 應與檢測電路和傳感器線圈連接。
3.如權利要求2所述的電渦流金屬材料分析傳感器，其特徵在於，所述骨架和傳感器 線圈外部與探頭容置空間內壁之間填充設有絕緣材料。
4.如權利要求1、2或3所述的電渦流金屬材料分析傳感器，其特徵在於，所述的檢 測電路為諧振式電路。
5.如權利要求1、2或3所述的電渦流金屬材料分析傳感器，其特徵在於，所述的檢 測電路為正反饋法測量電路。
6.如權利要求1、2或3所述的電渦流金屬材料分析傳感器，其特徵在於，所述的檢 測電路為電橋法測量電路。
專利摘要本實用新型公開了一種電渦流金屬材料分析傳感器，為解決現有技術中成本較高、適用性不強等問題而發明。包括外殼，用於容置傳感器線圈及骨架；骨架，呈筒狀，由高導磁材料製成，一端設在待測金屬基板附近；傳感器線圈，纏繞設在骨架上；信號源，用於為傳感器線圈提供交流電信號，以在待測金屬基板平面上產生渦流；檢測電路，連接傳感器線圈，用於檢測在待測金屬基板平面上產生的渦流並設有輸出端。上述的結構，對不同類型標準金屬材質測量時，引起的磁通量變化不同及電感量的差異通過檢測電路轉變成電信號經輸出端輸出，實現接觸式或非接觸式金屬材質的測量；結構簡單、靈敏度高、頻響範圍寬、不受油汙等介質的影響，適用範圍廣。
文檔編號G01N27/90GK201796013SQ20102052968
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月15日 優先權日2010年9月15日
發明者馮澤虎 申請人:淄博職業學院