高精度高稳定性电涡流传感器的研究

发布时间：2020-10-14 12:03

　　 电涡流传感器是一种经典的传感器类型,具有非接触、宽带宽、灵敏度高、可靠性好等优点,并且可以工作在恶劣的环境,具有广泛的应用需求。根据目标导体厚度的不同,电涡流传感器可以划分为两种传感器类型:电涡流位移传感器和电涡流厚度传感器。这两种传感器是应用电涡流效应的自然产物,已经存在并发展了几十年,市场上有各种型号的产品。然而,这两种传感器仍然有大量的应用需求和难题需要去满足和攻克。对位移传感器来说,如何满足天文望远镜这种最尖端的应用需求是急需解决的问题,这在国内外的科研和项目中都是难题。目前外国厂商霸占了高端位移传感器市场,国内的产品与之有较大的差距,更无法染指最尖端的科研项目。本文在电涡流位移传感器的研究希望能打造满足最尖端需求的电涡流位移传感器产品,提升我国在高精密位移测量领域的实力。对非接触式厚度传感器来说,已有的测量方法都或多或少地存在问题,还没有实现一种集测量速度高、测量精度高、小尺寸、低成本等优点于一身的测量方法。本文提出的测量方法满足了这些要求,其性能参数在同领域的研究中具有极强的竞争力。本文的主要工作及结论包括:一、使用电涡流传感器的变压器模型和等效环路模型推导出探头线圈的阻抗计算公式。利用有限元仿真工具分析了目标板材料参数、探测线圈尺寸参数、电路参数对传感器各项性能的影响。在理论分析的基础上,根据目标材料厚度的不同引出了电涡流传感器的两个分支:电涡流位移传感器和电涡流厚度传感器。二、制作电涡流位移传感器前期样机,基本满足了设定的技术指标。在此过程中,对传感器的各个环节都进行了严谨的分析,包括线圈尺寸、电桥参数选择、电路部分设计、AD转换等。电桥电路是传感器电路中最最要的部分之一,实现将线圈电感、电阻分离的功能,因此对电桥电路的参数选择进行了重点分析,使用MATLAB数值分析方法定量的给出包括灵敏度、线性度、温漂等传感器性能,指导电桥参数的选择。最终按照统一的测试标准对样机进行性能测试。三、提出使用电阻分量进行温度补偿的方法,利用传感器的电阻输出通道补偿电感通道输出,实现温度漂移的自动校正。首先探讨了传感器温度漂移的来源,重点关注电桥电路中的元件参数的影响。数学证明了可以通过对两路输出做数学变换分离开电感、电阻,并实验验证了本方法的可行性。这种温度补偿方法,无需额外的温度敏感元件,并且使用电阻分量进行补偿的效果要优于使用温度敏感元件。四、将差动结构应用于电桥。差动电桥具有线性好、灵敏度高、抑制共模干扰的作用。使用MATLAB数值分析对电桥参数的选取进行优化选择。设计了传感器在望远镜背面的安装结构,稳固的安装结构是传感器性能可以得到充分发挥的保证,安装结构必须具有足够的温度稳定性,并且要便于安装和调整。使用了差动形式的位移传感器经过测试满足了前期设定的技术指标。五、研制了两种电涡流厚度传感器,他们的基本原理相似,都利用提离线的斜率K与被测目标厚度成正比的性质。具体的实现方法不同,第一种厚度传感器以探头振动方式获得提离线,而第二种传感器是第一种的优化升级,利用特殊设计的探头电路以及信号之间的相位获得提离线斜率。制作的传感器样机具有高测量速度、高测量精度、高稳定性、小尺寸、低成本的优点。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

固定的探测线圈来说，量程越大，线性度越差。传感器的最大量程通常和探测线??圈的尺寸肴关，探测线圈的直径越大量程越大。传感器的正负饱和电压对应于最??大测量距离１？？？和最小测量距离（图１．１），两者的差值即为量程，也称之为??满量程范围（ＦＳＲ，?Ｆｕｌｌ?Ｓｃａｌｅ?Ｒａｎｇｅ）。称和：＾？的中间位置为偏置距离??偏置距离越大则传感器安装越方便、调整越简单，但通常灵敏度会随着偏置距离??的增大而下降。??ＦＳＲ??一￡］?｜?：！??——？……扣?疇—；??，—???图］．１传感器量程指标??线性度，也称为非线性误差，是指输出电压与参考位移电压线之间的偏差程??度（图１．２），线性度通常用相对误差表示。线性度的计算公式如下：??线性度＝兰＞＜１００％??＾?（１．１）??式中：Ｊ为传感器量程，６为校准线与基准线的最大偏差。通常根据实际测试数??据，按照最小二乘原理通过线性拟合获得基准线，此时测量数据的残差平方和最??小

?第１章绪论???度的响应曲线交点，测量速度很低。传统的单频法测量依赖于线圈阻抗精确的测??量以及复杂的数值计算分析结果，并不适用于在线测量。扫频法对目标板进行一??定频率范围的扫频，记录线圈参数的频率响应曲线，分析曲线特征并获得与目标??厚度之间的关系。如图１．４所示，线圈电感对不同目标厚度有不同响应曲线，通??过复相位特征提取厚度信息［１５］。扫频法可以通过改变扫频的频率范围调整厚度??测量范围，但非常依赖精密的阻抗分析系统，并且复相位特征和被测厚度之间的??对应关系不够直接，测量精度的略微提高会大大降低测量速度。脉冲法是给探测??线圈激励脉冲信号，脉冲信号包含丰富的多次谐波信息，对被测样品的表面和内??部都很敏感。图１．５展示了利用脉冲信号测量金属镀膜厚度的结果＠１。与扫频法??相似，脉冲法的测量精度和信号采样率紧密相关，有效特征的选取比较复杂，测??量速度不高。??Ｐ！？ｅ?〇ｉｉｃｋｎｅｓｓ－３?ｍｍ．?ｆｒｅｑ?７５０?Ｈｚ??????????！?；?－ｒ＾ｒｒ＾ｒｒｒ－：：：－，??

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【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 汪忠柱,方以坤,姚学标;低温度系数的高磁导率软磁Mn-Zn铁氧体的研制[J];安徽大学学报(自然科学版);2003年04期

相关博士学位论文 前1条

1 王洪波;亚纳米精度电涡流传感器的理论和设计研究[D];中国科学技术大学;2015年

本文编号：2840634