电涡流位移传感器线圈优化设计

基于MAX1452的电涡流传感器设计电涡流传感器是一种常用于测量金属零件精确位置和运动的传感器。

利用电磁感应原理，电涡流传感器能够检测金属零件表面的微小电流变化，从而实现对金属零件位置和运动的监测和控制。

MAX1452是一款专为电涡流传感器设计的高精度、低噪声的模拟前端芯片。

MAX1452具有内置的放大器和低噪声ADC，能够将传感器输出的微小电流信号转换为数字信号，实现对电涡流传感器的数据处理和分析。

其次，在设计过程中需要考虑传感器的灵敏度和分辨率。

灵敏度表示传感器的输出变化与被测量物理量变化之间的关系，分辨率表示传感器能够分辨并测量的最小物理量变化。

调整线圈的尺寸和形状、选择合适的磁芯材料和线圈材料，以及调整放大器的增益等都可以影响传感器的灵敏度和分辨率。

此外，为了提高传感器的抗干扰能力，还可以在设计过程中考虑使用差分输入模式和滤波技术。

差分输入模式可以抵消来自于电源和环境的共模噪声，提高信号的纯净度；而滤波技术可以减少高频噪声的干扰，提高传感器的信噪比。

最后，基于MAX1452的电涡流传感器设计还需要进行信号调理和数据处理。

MAX1452提供了内置的放大器和低噪声ADC，但这些数字信号可能还需要经过滤波、放大、抖动补偿等处理，才能得到精确的测量结果。

总结起来，基于MAX1452的电涡流传感器设计需要考虑传感器元件的选择、灵敏度和分辨率的调整、抗干扰能力的提高以及信号调理和数据处理等方面。

通过合理的设计和优化，电涡流传感器可以广泛应用于工业自动化、机械制造、汽车电子等领域，实现对金属零件的高精度测量和控制。

电涡流式位移传感器实验的意见和建议
1. 建议在实验中使用多种不同频率和振幅的电信号来激励传感器，以尽可能模拟实际工作环境中的各种情况。

2. 注意传感器的位置和固定方式，确保其可以准确测量被测物体的位移。

可以考虑使用夹具或固定装置来保持传感器的稳定性。

3. 实验过程中应注意传感器与被测物体之间的间隙，过大或过小的间隙都可能影响传感器的测量精度。

可以通过调整固定装置或使用衬垫来控制间隙大小。

4. 定期检查传感器的工作状态和连接，确保传感器的正常运行。

如果发现异常，应及时进行修理或更换。

5. 可以尝试不同的工作频率和振幅，观察传感器的响应以及可能的非线性效应。

这有助于了解传感器的工作特性和测量范围。

6. 在实验中可以降低环境噪声的干扰，例如关闭其他电子设备或使用屏蔽材料来隔离传感器与外界干扰。

7. 需要注意传感器的最大工作温度和压力范围，避免在超过其额定范围的条件下进行实验。

8. 实验中可以与其他传感器进行对比，评估电涡流传感器在位移测量中的优势和局限性。

9. 在实验结果分析中，应注意量化传感器的精度、灵敏度和稳定性，并与理论预测进行比较。

10. 探索不同的实验条件和方法，例如改变激励信号波形、增加噪声等，以评估感测器的性能和鲁棒性。

总之，在电涡流式位移传感器实验中，要注意实验环境的控制、传感器的稳定性和精确性以及对传感器进行全面的评估和分析。

电涡流位移传感器设计技术要求：1、量程：0～20mm2、精度：1mm3、激励频率：1M Hz4、输入电压：24V5、介质温度: -50℃～250℃6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm7、线性误差：＜±2%8、工作温度：探头（-20～120）℃，延长电缆（-20～120）℃，前置器（-30～50）℃9、频率响应：0～5KHz一、总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。

它是一种非接触的线性化计量工具。

电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。

根据下面的组成框图，构成传感器。

根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。

（2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。

（3）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。

同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。

如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。

因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。

二、电涡流传感器的基本原理2.1 电涡流传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。

与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。

文献综述电涡流位移传感器信号调理与位移显示电路的设计在基础学科研究和现代工业生产中，传感器具有不可或缺的作用。

电涡流位移传感器是一种据电涡流效应制成的常用物理传感器，其输出振荡电压随被测体（必须是金属导体）与探头之间的距离变化而变化，因此能测量被测体发生的静态和动态的相对位移变化,从而被广泛地应用于数据采集系统中。

目前国内研制的多数电涡流位移传感器测量物体位移变化时输出都是电压信号的绝对值，由于被测体位移相对变化很小，而传感器输出的电压信号初始值太大，以致变化量很小，从而不能很好地反映被测体位移的变化。

本课题即是对电涡流位移传感器进行信号调理设计，通过减法放大电路使传感器输出电压减去初始值后再进行放大，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。

然后基于单片机设计传感器的工作电源和输出位移的显示电路，使输入输出信号都能清楚、直观地显示。

下图1是通用数据采集系统的组成和信号传输流程。

可见，信号调理电路是数据采集系统的重要组成部分。

信号处理电路，就是把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。

传感器测量的很多物理量，如位移、温度、压力、光强等，输出后都是相当小的电压、电流或电阻变化，必须对其进行调理，即利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)将信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，以便用于系统的数据处理。

图1黎琼，陈文庆，温泉彻[3]介绍了通用数据采集系统的组成及信号调理的重要性，然后以热电偶温度传感器及热电偶温度变送器为例，说明了传感器调理一般应包含补偿、线性化和激励三部分内容，且介绍了变送器与传感器的主要区别。

最后在给出典型信号调理电路的基础上，说明了通用数据调理功能（放大、隔离、滤波和数字信号调理）及电路实现，对基于PC机和ADC卡的通用数据采集系统的信号调理具有借鉴作用。

乔巍，杜爱玲，陈春，叶生[4]针对基于微控制器和PC的高速数据采集系统,分析了信号调理电路功能及必要性,并在此基础上给出了包括信号放大、衰减、隔离和滤波的设计方案,并对滤波电路的拓扑设计进行了研究。

实验二 电涡流传感器位移实验一、实验目的1．了解涡流式传感器的原理及工作性能。

2．熟悉实验仪器，掌握传感器使用过程中的注意事项。

二、结构和原理(此部分不用写在实验报告上)电涡流传感器是一种能将机械位移，振幅和转速等参量转换成电信号输出的非电量电测装置。

它由探头，变换器，连接电缆及被测导体组成，是实现非接触测量的理想工具。

其最大特点就是结构简单，可以实现非接触测量，具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽、体积小等特点，因此在工业测量领域得到了越来越广泛的应用。

1. 涡流效应当金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流就像水中的漩涡那样，在导体内部形成闭合回路，我们通常称之为“电涡流”，称这种现象为“涡流效应”。

电涡流传感器就是在涡流效应的基础上建立起来的。

电涡流传感器的基本原理如图3.9.1所示。

一个通有交变电流1I 的传感线圈，由于电流的周期性变化，在线圈周围就产生了一个交变磁场1H 。

如被测导体置于该磁场范围之内，被测导体便产生涡流2I ，电涡流也将产生一个新的磁场2H ，2H 和1H 方向相反，由于磁场2H 的反作用使通电线圈的等效阻抗发生变化。

当金属导体靠近线圈时，金属导体产生涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t 、线圈与金属导体间的距离s 以及线圈激励电流的大小和角频率ω等参数有关。

如固定其中某些参数，就能按涡流的大小测量出另外一些参数。

为了简化问题，我们把金属导体 理解为一个短路线圈，并用2R 表示这个短路线圈的电阻；用2L 表示它的电感；用M 表示图3.9.2 等效电路U1—传感线圈；2—金属导体图3.9.1 电涡流式传感器基本原理示意图2它与空心线圈之间的互感；再假设电涡流空心线圈的电阻与电感分别为1R 和1L ，就可画出如图3.9.2所示的等效电路。

经推导电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗为L j R L L R M L j L R M R R I U Z ωωωωωωω+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛++==22222222122222222111式中 R —电涡流线圈工作时的等效电阻；L —电涡流线圈工作时的等效电感。

电涡流传感器的仿真与设计一、本文概述随着科技的飞速发展，传感器技术作为现代工业、自动化控制以及科研实验等领域中不可或缺的一环，其重要性日益凸显。

电涡流传感器作为一种非接触式测量工具，因其高精度、快速响应和广泛的应用范围，受到了广泛关注。

本文旨在深入探讨电涡流传感器的仿真与设计，以期为其在实际应用中的优化和改进提供理论支持和实践指导。

本文首先将对电涡流传感器的基本原理进行阐述，包括电涡流效应的产生机制以及传感器的工作原理。

在此基础上，我们将对电涡流传感器的仿真技术进行深入分析，探讨如何利用仿真软件对传感器性能进行预测和优化。

接着，本文将重点讨论电涡流传感器的设计要点，包括线圈结构、信号处理电路、屏蔽措施等方面，以期提高传感器的测量精度和稳定性。

本文还将关注电涡流传感器在不同应用场景下的性能表现，如高温、高湿、强电磁干扰等恶劣环境下的适应性。

通过实际案例分析，我们将对传感器的性能进行客观评估，并提出针对性的改进措施。

本文将展望电涡流传感器未来的发展趋势，探讨新技术、新材料在传感器设计中的应用前景。

通过本文的研究，我们期望能够为电涡流传感器的仿真与设计提供一套系统的理论框架和实践方法，推动传感器技术的不断发展和创新。

二、电涡流传感器的基本原理电涡流传感器，作为一种非接触式的测量工具，其基本原理基于法拉第电磁感应定律和电涡流效应。

当交变电流通过传感器线圈时，会在其周围产生交变磁场。

当这个磁场靠近导电材料（如金属）表面时，会在材料内部感应出电涡流。

电涡流的大小和相位与磁场强度、材料电导率、磁导率以及传感器与材料之间的距离有关。

电涡流传感器通过测量这个交变磁场与电涡流之间的相互作用，从而实现对材料性质或位置的测量。

具体来说，当传感器与被测物体之间的距离发生变化时，电涡流的大小和相位也会相应变化，进而引起传感器线圈的电感、阻抗或电压的变化。

通过测量这些电气参数的变化，可以实现对被测物体位置、材料电导率等物理量的测量。

课程设计报告与说明书《电涡流位移传感器》课程设计学生姓名：_________ ___________ 学号：____________ 入学时间： 14 年秋季专业：___机械设计制造及其自动化___ 直属/分校：__________直属____________ 指导教师：______ 解晓光__________大连广播电视大学2014年12月设计题目：电涡流位移传感器课程设计一、设计要求1、量程：：0～20mm2、精度：1mm3、激励频率：1M Hz4、输入电压：24V5、介质温度: -50℃～250℃6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm7、线性误差：＜±2%8、工作温度：探头（-20～120）℃，延长电缆（-20～120）℃，前置器（-30～50）℃9、频率响应：0～5KHz二、总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。

它是一种非接触的线性化计量工具。

电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。

根据下面的组成框图，构成传感器。

根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。

（2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。

（3）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。

同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。

如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。

因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目电涡流位移传感器设计班级机设八班学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一二年五月电涡流位移传感器摘要：随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。

特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。

传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。

在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。

电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。

关键词：电涡流式传感器传感器技术电量非电量Abstract：With modern measurement, control box of automation technology development, the sensor technology is more and more attention by people. Especially in recent years, due to the development of science and technology and ecological balance the need, sensor in various fields are also increasingly significant role. The sensor technology application in many developed countries, has been paid attention to. In the project in measured parameters for the most power, the power to urge people to approach to the power, and the research method of the electricity measurement of electric instruments, to study how to correct and fast the power technology. The eddy current sensor has become the electrical measurement technology is very important means of detection, widely used in engineering survey and scientific experiments.Key words：Eddy current sensor, sensor technology ,non-power electrical measurement techniques,一：总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。

引言电涡流传感器具有灵敏度高、分辨力高、线性度高、重复性好、结构简单、抗干扰能力强、线性测量范围宽、安装方便、非接触测量、耐高温、能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作的特点以及能够实现信息的远距离传输、记录、显示和控制的优势，被广泛应用于工业生产和科学研究等领域的位移、振动、偏心、胀差、厚度、转速等物理量的在线检测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性。

因而对于电涡流传感器的研究有着深远的理论和实践意义。

目前，对电涡流传感器的研究，主要集中在电磁学模型机理的研究、线圈几何形状的优化设计、测量精度的提高、非线性的线性化和应用范围的拓展等方面。

本文提出了一种新型的电涡流传感器设计方案，具有速度快、功耗低、稳定性好等诸多优点，并已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等领域，取得了非常好的效果，得到了用户的一致好评。

1 电涡流传感器的基本工作原理[1-2]电涡流传感器的基本工作原理是基于电涡流效应。

根据法拉第电磁感应定律可知：金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。

电流的流线在金属导体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应，电涡流传感器就是利用电涡流效应来检测导电物体的各种物理参数的。

如图1所示。

理论和实践均证明:电涡流的大小与导体的磁导率ξ、电导率σ、线圈与导体之间的距离D 、激励电流强度I 、激励电流角频率ω、线圈尺寸因子等参数有关。

探头线圈的阻抗Z 是上述参数的函数，即Z =F (,ξ, σ, D , I,ω) 。

很显然，如果只改变其中的某一参数，其他参数恒定，阻抗就成为该参数的单值函数。

假设被测金属导体材质均匀，且具有线性和各向同性的性能特点，我们可以控制,ξ, σ, I ,ω这几个参数在一定范围内不变，则阻抗就成为距离的单值函数，再通过前置器电子线路的处理，将探头线圈阻抗的变化，即探头线圈与金属导体之间的距离的变化转化为电压或电流的变化。

位移电涡流传感器测量电路设计-)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：成绩评定：传感器技术课程设计题目位移电涡流传感器测量电路设计摘要电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点,广泛应用于对金属的位移检测中。

为扩大电涡流传感器的测量范围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电路作为非线性补偿环节。

利用Matlab计算软件辅助设计了直径为60mm电涡流传感器探头,并结合测量电路进行实验。

实验结果表明最大测量范围接近90mm,验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。

关键词:电涡流传感器;测量电路;大位移;线性化目录一、设计目的------------------------- 1二、设计任务与要求--------------------- 12.1设计任务 ----------------------- 12.2设计要求 ----------------------- 1三、设计步骤及原理分析 ----------------- 13.1设计方法 ----------------------- 13.2设计步骤 ----------------------- 23.3设计原理分析 -------------------- 6四、课程设计小结与体会 ----------------- 6五、参考文献-------------------------- 6一、设计目的1.了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

2.了解电涡流传感器的前景及用途二、设计任务与要求2.1设计任务扩大电涡流传感器的测量范围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电路作为非线性补偿环节。

验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。

2.2设计要求1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好；2. 设计传感器应用电路并画出电路图;3. 应用范围：测量物体的位移。

电涡流传感器测量位移特性设计报告电涡流传感器测量位移特性设计报告摘要：本设计根据金属位移量影响涡流效应的强弱，利用电涡流传感器测量出金属位移量引起的电压变化模拟信号，并作为AD采集卡的输入量，最终在上位机实现金属位移量和电压变化的动态显示。

本设计具有操作简单、精度高等特点。

关键词：AD采集卡，电涡流传感器，金属位移量，电压变化1 工作原理电涡流传感器采用的是感应电涡流原理,当带有高频电流的线圈靠近被测金属时,线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流,电磁学上称之为电涡流。

电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。

当线圈与金属体的距离发生变化时（除距离以外，所有的参数不变），电涡流传感器将位移量转换成电压变化的模拟信号送给AD采集卡，最终在上位机实现对金属位移量和电压变化的实时显示。

2硬件设计2.1系统框图金属位移量图2.1系统总体框图2.2 PCI8735介绍PCI8735是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与这兼容的计算机内的任一PCI插槽中，主要应用于电子产品质量检测、信号采集、过程控制、伺服控制。

2.2.1 PCI8735的管脚定义图2.2 PCI8735管脚排列PCI8735引脚功能描述如下表：2.2.2 DS18B20技术性能描述1.转换器类型：AD73212.输入量程(InputRange)：±10V、±5V、±2.5V、0～10V3.转换精度：12位(Bit)有效位，第13位为符号位4.采样速率：最高系统通过率500KHz，不提供精确的硬件分频功能。

说明：各通道实际采样速率=采样速率/采样通道数5.模拟输入通道总数：32路单端，16路双端6.采样通道数：软件可选择，通过设置首通道(FirstChannel)和末通道(LastChannel)来实现的。

说明：采样通道数=LastChannel –FirstChannel+17.通道切换方式：首末通道顺序切换8.AD转换时间：<1.6us9.转换精度：12 位(Bit)有效位，第13位为符号位10.程控增益：1、2、4、8倍(AD8251)或1、2、5、10倍(AD8250)或1、10、100、1000倍(AD8253)11.模拟输入阻抗：10M?12.非线性误差：±1LSB13.系统测量精度：0.1%14.工作温度范围：-40℃～+85℃15.存储温度范围：-40℃～+120℃3 软件设计本系统采用Visual Basic 6.0语言编写，人机界面主要由三部分构成，第一部分是人工进行量程选择，第二部分是采集方式选择，包括间隔采集和连续采集两种方式；第三部分是数据统计显示区。

新型电涡流传感器测量电路设计电涡流传感器是一种能够将金属中的涡流效应转换为电信号的传感器，广泛应用于工业领域的位移、速度和金属表面缺陷等测量。

而新型电涡流传感器测量电路设计则是针对传感器测量信号处理的核心部分，其设计的好坏直接关系到传感器测量精度和稳定性。

这篇文章将从深度和广度的角度，全面评估新型电涡流传感器测量电路设计的关键要素，并探讨其在工业应用中的重要性。

1. 传感器原理及特点在进行新型电涡流传感器测量电路设计之前，首先需要了解传感器的工作原理和特点。

电涡流传感器利用涡流效应来检测金属表面的缺陷或测量金属零件的尺寸、形状等参数。

其工作原理是当金属表面被感应线圈的交变磁场影响时，会在金属内部产生涡流，并产生一个感应电动势，感应线圈测量出这个电动势，从而实现对金属的测量。

而新型电涡流传感器相比传统传感器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更广的测量范围。

2. 传感器测量电路设计要求在进行新型电涡流传感器测量电路设计时，需要考虑的关键要素包括信号放大、滤波、AD转换、数字信号处理等。

对于传感器的微弱信号，需要进行有效的放大处理，以提高信噪比和测量灵敏度；由于传感器信号可能存在噪声等干扰，需要设计合适的滤波电路来滤除杂散干扰，保证信号质量；另外，为了实现对信号的数字化处理和后续数据处理，还需要进行AD转换和数字信号处理的设计；对于工业现场的使用，还需要考虑电涡流传感器测量电路的稳定性和抗干扰能力。

3. 设计方案及优化在新型电涡流传感器测量电路设计中，可以采用多种电路设计方案来实现对传感器信号的高精度采集和处理。

常见的方案包括差动放大电路、滤波电路、高速AD转换电路等。

对于特定应用场景，可以根据实际需求选取合适的电路方案，并通过仿真、实验等手段对电路进行优化。

在差动放大电路中，可以采用低噪声、低偏置电流的运算放大器来实现微弱信号的放大，提高测量精度；在滤波电路中，可以采用低通滤波器来滤除高频噪声，保证信号的准确性。

电涡流传感器谐振电路的优化设计电涡流传感器是一种常用的非接触式传感器，用于检测金属材料的位置、形状、尺寸和表面缺陷等。

谐振电路是电涡流传感器中的关键部分，其设计优化对于提高传感器的性能至关重要。

在电涡流传感器中，谐振电路的主要作用是通过感应线圈和金属材料之间的电涡流相互作用来实现信号的检测和转换。

谐振电路能够将输入信号与电涡流传感器的谐振频率相匹配，从而使得传感器的灵敏度和稳定性得到提高。

为了实现电涡流传感器谐振电路的优化设计，首先需要确定谐振频率的选择。

谐振频率的选择应该考虑到被检测金属材料的特性和所需的检测精度。

一般来说，当金属材料的尺寸较小时，谐振频率应选择较高；当金属材料的尺寸较大时，谐振频率应选择较低。

谐振电路的元件参数也需要进行合理的选择和设计。

感应线圈的参数包括匝数、线径和线圈材料等，应根据被检测金属材料的特性和所需的灵敏度来确定。

此外，电容器的参数也需要根据谐振频率和电感的数值来选择，以实现谐振电路的匹配。

谐振电路的阻尼系数也是优化设计的关键因素之一。

阻尼系数的大小直接影响着传感器的响应速度和稳定性。

一般来说，较小的阻尼系数可以提高传感器的响应速度，但也会增加传感器的噪声；较大的阻尼系数可以提高传感器的稳定性，但会降低传感器的响应速度。

在实际的优化设计中，可以通过改变感应线圈的匝数、调节电容器的数值和选择合适的阻尼电阻来实现谐振电路的优化。

此外，还可以通过计算机模拟和实验验证的方式来评估和优化谐振电路的性能。

电涡流传感器谐振电路的优化设计对于提高传感器的性能至关重要。

通过合理选择谐振频率、优化感应线圈和电容器的参数以及调节阻尼系数，可以实现传感器的高灵敏度、快速响应和稳定性。

在实际的设计中，可以借助计算机模拟和实验验证的方法，不断优化谐振电路的性能，以满足不同应用场景的需求。

实验二电涡流传感器位移实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性；了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、基本原理：通以高频电流的线圈会产生高频磁场，当有导体接近该磁场时，会在导体表面产生涡流效应，而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关，因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。

影响涡流效应的强弱除了上面提及的因素外，与金属导体本身的电阻率和磁导率也有关系，因此不同的材料就会有不同的涡流效应，从而改变电涡流传感器的测量性能。

三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、铜和铝的被测体圆盘四、实验步骤：1、根据图８－１安装电涡流传感器。

2、观察传感器结构，这是一个扁平的多层线圈，两端用单芯屏蔽线引出。

３、将电涡流传感器输出插头接入实验模板上相应的传感器输入插口，传感器作为由晶体管T1组成振荡器的一个电感元件。

４、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

５、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。

数显电压表量程置20V档。

６、用连接导线从主控箱接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。

７、移动测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，旋转测微头每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止，将结果分别填入表8-1、8-2、8-3。

表8-1：被测体为铁圆片时的位移与输出电压数据X(m m)V(v)表8-2：被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据X(m m)V(v)表8-3：被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据X(m m)V(v)8、根据表8-1、8-2、8-3数据，分别画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及选择位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和非线性误差（可以用端基法或其它拟合直线）。

五、思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±3mm的量程应如何设计传感器处理电路？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器。

第8卷第3期北华大学学报(自然科学版)Vol .8No .32007年6月JOU RN AL O F BEIHU A U N IV ERSI T Y (N atural Science )Jun .2007文章编号:1009-4822(2007)03-0285-04电涡流位移传感器线圈优化设计浦铁成,白　晶(北华大学电气信息工程学院,吉林吉林　132021)摘要:高速磁悬浮转轴间隙的精确测量是磁悬浮转轴系统可靠工作的重要保障.电涡流位移传感器被广泛应用于这种间隙的测量.由于磁悬浮转轴系统空间有限,所以要求传感器既要有很高的灵敏度同时检测线圈的尺寸要尽可能缩小,为此提出了1种电涡流位移传感器检测线圈的多参数设计方法.该方法利用线圈的品质因数和所激发的磁感应强度梯度以及线圈导线的总长度3个参数构成1个优化函数,并采用遗传算法求解该函数,从而得到了最佳的检测线圈尺寸.通过MA T LAB 仿真已验证了该方法的有效性.关键词:电涡流传感器;线圈;优化设计中图分类号:T H822 文献标识码:A 收稿日期:2007-03-30作者简介:浦铁成(1977-),男,讲师,硕士,主要从事先进传感技术研究.在用于航空航天飞行器的惯性导航系统中,高速磁悬浮转轴系统是其重要的组成部分.磁悬浮转轴在高速旋转时会偏离其旋转轴线,导致与周围部件发生碰撞,造成导航系统损坏,因此对转轴间隙的实时精确测量显得尤为重要.同时,由于惯性导航系统体积有限,对传感器的体积有着严格的限制.本文研究了用于此种情况下的电涡流位移传感器检测线圈的优化设计方法.图1　电涡流效应示意图Fig .1　Effect of eddy current1　电涡流位移传感器的原理 1块金属导体放置在1个线圈附近,相互不接触,如图1所示.当线圈中通有高频交变电流i 1时,在线圈周围产生交变磁场 1;交变磁场 1将通过附近的金属导体产生电涡流i 2,同时产生交变磁场 2,且 1和 2的方向相反. 2对 1有反作用,从而使线圈中的电流i 1的大小和相位均发生变化,即线圈中的等效阻抗发生了变化,这就是电涡流效应[1].线圈阻抗的变化与电涡流效应密切相关,即与线圈的半径r 、激励电流i 1的幅值、频率ω、金属导体的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈到导体的距离x 有关,可以写成Z =f (r ,i 1,ω,ρ,μ,x ).实际应用时,控制上述这些可变参数,只改变其中的1个参数,则线圈阻抗的变化就成为这个参数的单值函数,这就是利用电涡流效应实现测量的主要原理.在分析中,可以将金属导体等效看作1个短路线圈,它与扁平线圈构成变压器的副边与原边.如图2所示.图2中,R 1和L 1分别为通电线圈的铜阻抗和电感,R 2和L 2为金属导体的等效电阻和电感.线圈和导体间的互感系数M 随间隙x 的减小而增大.﹒U in 为高频激励磁电压,由克希霍夫定律可写出方程(R 1+j ωL 1)﹒I 1-j ωM ﹒I 2=﹒U in ,-j ωM ﹒I 1+(R 2+j ωL 2)﹒I 2=0.(1)图2　电涡流等效电路Fig .2　The equivalent circuit of eddy current利用上式可得线圈的等效阻抗为[2]Z =﹒U in 1=R 1+R 2ω2M 2R 2+ωL 2+ j ω(L 1-L 2ω2M 2R 22+ω2L 22)=R e +j ωL e ,(2)R e =R 1+R 2ω2M2R 22+ω2L 22,L e =L 1-L 2ω2M2R 22+ω2L 22. 2　线圈的设计2.1　建立数学模型为使线圈对间隙变化最敏感,求等效阻抗Z 对间隙y 的导数.由于只有M 与间隙y 有关[3],所以有d Zd y =d Z d M ·d M d y =d Z d M ·d M d k ·d k d y ,　d Z d M =2M ·R 2-j ωL 2R 22+(ωL 2)2,d M d k =2E (k )k 2-2k ·E (k )-K (k )k -2+k2k2·K k21-k 21-k2+2-k 2kkK k 2k 2-1(1-k 2)3/2+ (k 2-1)2k k 2-1-2k 3(k 2-1)2E k 2k 2-1-1-k 2k 2-1K k2k 2-12k 21-k 21-k 2k 2-1,(3)d k d y =d k d d ·d d d y =-2dl 1l 2[d 2+(l 1+l 2)2]2l 1l 2d 2+(l 1+l 2)2.(4)其中,K (γ)=∫n /2(1-γsin 2α)-1/2d α,为第一类椭圆积分;E (γ)=∫n /2(1-γsin 2α)1/2d α,为第二类椭圆积分.2.2　目标函数线圈设计的目标是要在体积尽可能小的情况下获得较高的灵敏度[4],即要求导线总长度(L )越短越好,线圈阻抗导数(d Zd x)越大越好.另外,考虑到线圈的整体性能,线圈的品质因数(Q )也要包含到目标函数中.考虑到三者数量级相差较大,求和不适宜,故采用品质因数和导数的乘积再除以导线总长作为目标函数[5-6].另外根据实际要求确定线圈导线总长在1m 左右.由此所得目标函数为S =Q d Z d xf (L ).(5)式中,f (L )=10(L -1)2,　L ≥110-(L -1)2,　L <1.当目标函数达到最大值时,线圈尺寸就是最佳值.2.3　遗传算法在确定目标函数之后,就要求解目标函数的最大值.由于计算量较大,计算复杂,为了缩短计算时间,采用遗传算法寻找目标函数的最大值.2.3.1　编 码由于线圈线性范围要求为1m m ,故线圈外半径选择为为2mm .变量为线圈的内径R a 和线圈轴向厚286 北华大学学报(自然科学版)第8卷度h .其中内径范围:0.2～1.7mm ;厚度范围:0.5～3.6mm .采用二进制,各用4位来表示.即内径:0.2-0000,～,1.7-1111;厚度:0.5-00000,～,3.6-11111.再将两者和并,内径在前厚度在后.例如内径为1mm ,厚度为2mm ,其编码为100001111.2.3.2　初始群体初始群体数量过大增加计算负担,过小容易造成收敛于局部,故初始群体的选择对算法的影响很大.为避免使算法收敛于局部,初始群体应均匀分布,且数量不宜过小,在此选择数目为20个,分别为高4位:0000,0100,1000,1100;低5位:00000,01000,10000,11000,11111,交叉组合构成.这样初始群体就均匀分布在整个搜索范围内.2.3.3　适应度函数f以目标函数作为适应度函数f ,即以每1个个体i 的目标函数值作为其适应度函数值f i .其复制的概率P i =f i∑f i,复制的个数R i =f if i,其中,f i 是f i 的平均值.2.3.4　交换与最优解的确定在确定了各个个体的复制个数之后,适应度低的个体已经被淘汰.为了保证种群众个体的多样性,对种群中的个体进行交换.交换方法采用首尾两个个体互换低5位值,依次进行.当前后两次目标函数的计算值之差小于给定值是就认为寻优结束.2.4　程序框图图3表示的是整个算法的流程框图.3　仿真计算利用MATLAB 编写程序实现上述算法.针对实际情况,检测线圈的外半径限定在2mm .在此条件下,优化得到的检测线圈尺寸为外半径2mm ,轴向高度1.2mm ,内半径0.7m m ,线圈导线总长度1.3232m .为比较优化线圈的性能,特选择了7种尺寸线圈的性能参数列于表1.从表中数据可以看出:优化后的线圈(表中编号3)品质因数很高,线圈等效阻抗导数较高,导线总长度比较适宜.这7种线圈的总体性能即目标函数值如图4所示.从图4中可知线圈编号3的总体性能最佳.表1　7种线圈性能的比较Tab .1　Perform ance comparison of 7kinds of coils编号尺寸/mm 品质因数阻抗导数/(Ψ·m -1)导线长度/m 1内径:0.4　厚度:1.01603.12.9903×10-281.20642内径:0.8　厚度:3.0135.932.0007×10-273.16673内径:0.7　厚度:1.21871.53.5751×10-281.32324内径:1.0　厚度:2.055.5737.5022×10-281.88505内径:0.6　厚度:0.6956.851.3417×10-280.68616内径:0.5　厚度:1.52993.76.6009×10-272.82747内径:1.5　厚度:1.01837.72.6115×10-281.2566 图3　算法程序 图4　7种线圈目标函数值 Fig .3　Algorithm prcedures Fig .4　Objective function value of 7kinds of coils287第3期浦铁成,等:电涡流位移传感器线圈优化设计 表2中列出了在不同外径条件下,利用这种方法所得到的优化线圈尺寸.从表2中数据可以看出在不同限制条件下该方法都可以得到适宜的线圈尺寸.表2　5种优化的线圈尺寸Tab .2　Optim al size of five kinds of coils外半径/mm内半径/mm高/mm 外半径/mm内半径/mm高/mm 2.00.61.33.52.60.82.51.41.04.03.10.73.02.10.94　结 论本文提出了多参数优化电涡流位移传感器检测线圈尺寸的方法,这种方法在保证检测线圈具有较高灵敏度和较好的总体性能的情况下尽可能地缩小了线圈的总体体积,仿真结果证明这种优化设计方法是成功的.这种方法具有很好的灵活性,只要修改初始限定条件就可以得到不同条件下的优化线圈尺寸,对今后电涡流传感器检测线圈尺寸的设计具有一定的参考价值.参考文献:[1]Hans H .Gatzen ,Ekaterina Andreeva ,Heri I swahjudi .Eddy -Current M icrosensor Based on T hin -F ilm T echnology [J ].IEEET ranscatio ns on M agnetics ,2002,28(5):3368-3370.[2]Andrea Bernieri ,Giovanni Betta ,Luig i F errigno .Characterization of an Eddy -Current Based Sy stem for NondestructiveTesting [J ].I EEE T ranscations on M agnetics ,2002,51(2):241-245.[3]谭祖根.电涡流检测技术[M ].北京:原子能出版社,1986:85-87,107-111.[4]吴峻,李璐,樊树江,等.一种间隙传感器的线圈设计[J ].传感技术学报,2004(3):512-515.[5]黄小秋,丁天怀,付志斌.简化目标函数的电涡流传感器线圈参数优化设计[J ].传感器技术,2000(11):3-5.[6]王成栋,朱永生,康荣学,等.基于电涡流传感器的转速测量方法研究[J ].仪表技术与传感器,2003(6):45-47.Optimization Design on Coil of the Eddy Current SensorPU Tie -cheng ,BAI Jing(Electric Information Engineering College of Beihua University ,Jilin 132021,China )A bstract :In order to safeguard the high -speed m agnetic suspension axis sy stem ,it is important to test accurately the clearance betw een the magnetic suspension axis and its bearing .The eddy current sensor is w idely used to measure this clearance .Because the space of the m agnetic suspension axis sy stem is finite ,the size of coil is as small as possible w hile its sensitivity is high enoug h .Multi -parameters optimization method is brought forw ard fo r the coil of the eddy current sensor .In this method ,one optimize function is constituted including the grades of the electromag netic ,the quality factor of the coil and the lead leng th .Genetic algorithm is used to solve this function to search the best coil .This method is proved by MATLAB .Key words :Eddy current sensor ;Winding ;Optimization design【责任编辑:郭伟】288 北华大学学报(自然科学版)第8卷。

高温电涡流传感器感应探头的优化设计
崔得位;刘冲;翟敬宇;丁来钱;李经民
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】为解决电涡流传感器探头在高温(600℃)环境中测量失效的问题,设计了一种感应探头结构,主要由低温共烧陶瓷基底和Ag线圈组成。

首先分析涡流检测的原理和普通探头在高温下失效的原因,根据要求选择低温共烧陶瓷作为基底材料,为在一定区域内提高电感值将线圈设计为多层立体螺旋结构。

通过电磁仿真和机械-热仿真确定线圈的形状、材料等,结合MATLAB遗传算法优化线圈线径、间距、匝数等参数。

然后根据线圈设计参数,通过打孔、填孔、丝网印刷和层压烧结等工艺制作感应探头结构。

最后测量线圈的几何参数和电磁特性,实验显示线圈线径的误差小于5%,自谐振频率达到1.8 MHz,工作频率下的空载品质因数大于30,具有较高的线性测量范围和灵敏度。

【总页数】6页(P24-29)
【关键词】高温电涡流传感器;感应线圈;有限元仿真;遗传算法;低温共烧陶瓷;灵敏度
【作者】崔得位;刘冲;翟敬宇;丁来钱;李经民
【作者单位】大连理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.基于有限元法的电涡流传感器探头线圈设计
2.电涡流传感器探头线圈的参数化设计与制造
3.8mm电涡流位移/振动传感器探头的国产化设计
4.实现温漂补偿的调频式电涡流传感器探头设计
5.电涡流传感器探头的结构优化
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。