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与被测材料无关的电涡流传感器基础理论与实现方法研究

于亚婷

   为消除被测材料电磁特性对电涡流传感器输出的影响、提高传感器的灵敏度和线性范围,本文以电涡流传感器基本理论、时谐电磁场理论和有限元建模理论为基础,研究了被测材料电磁特性和传感器线圈阻抗之间的关系,提出通过矢量投影方法和幅值/相位混合调制思想消除被测材料电磁特性对传感器输出的影响;同时研究了探头结构及其几何参数与线圈阻抗的关系,从而得出探头结构及其几何参数和线圈阻抗的关系,并以此指导探头结构的优化设计。 本文主要对以下几个方面进行了深入研究: 1.线圈阻抗理论计算方法的研究 根据研究需要建立了磁性/非磁性被测体下线圈阻抗的理论求解模型,从理论上推导了磁性被测体下线圈的阻抗积分表达式,在利用贝赛尔级数将阻抗积分表达式展开成级数表达式后利用Mathematic~(TM)得到了线圈阻抗值。 2.线圈阻抗数值计算方法研究 根据电涡流传感器的几何特征和边界条件,结合有限元建模理论,建立了电涡流传感器的2D和3D数值计算模型,根据电磁场时谐分析结果得到了线圈阻抗值的数值计算方法,并获得线圈阻抗值。 3.与被测材料无关的电涡流传感器基础理论研究 提出同时获取线圈电阻和感抗两个信号,通过矢量投影法消除被测材料电磁特性对传感器输出的影响;采用有限元法和试验法验证了提出的方法的正确性和可行性;根据验证结论提出了对传感器进行非线性校正的方法。 4.与被测材料无关的电涡流传感器功能电路的设计与仿真 在验证的基础上,根据提出的消除被测材料电磁特性对传感器输出影响的方法和非线性校正方法,采用幅值/相位混合调制的设计思想,利用Multisim对功能电路进行设计与仿真。 5.功能电路的功能测试试验研究 根据电路设计的特点和关键器件的性能特征,在protel DXP中进行布局和布线;制板和元器件焊接后对PCB电路进行调试。利用调试好的电路板搭建了实验平台并对电路功能进行了测试。 6.探头线圈结构及其几何参数对传感器性能影响研究 通过理论推导和有限元法从线圈形状及其几何参数和铁氧体磁芯及其几何参数两个角度研究了探头线圈结构及其几何参数对传感器阻抗与检测距离的关系曲线的影响。 以上研究不仅消除了被测材料电磁特性对传感器输出的影响,而且对线圈阻抗的研究也从非磁性被测体发展到磁性被测体;从线圈阻抗的角度探索探头结构及其几何参数对传感器性能的影响,使研究结果对探头结构的优化更具指导意义。 本文的创新点概括如下: 1.建立了磁性/非磁性被测体下传感器线圈阻抗的统一计算模型 电涡流传感器测量中被测量的变化通过线圈阻抗的变化来体现,因此线圈阻抗是传感器测量中的重要物理量。而目前关于线圈阻抗的研究主要针对非磁性被测体,对磁性被测体下线圈阻抗计算方法的研究较少。文中建立了磁性/非磁性被测体下传感器线圈阻抗的统一计算数学模型和有限元分析模型。通过数学模型详细推导了磁性/非磁性被测体下线圈阻抗的积分表达式,并针对线圈阻抗积分表达式的特点,提出采用贝塞尔级数展开并截取空气边界的方法获取线圈阻抗的理论计算值;通过有限元分析模型得到了传感器的磁场分布、被测体中的涡流分布和线圈阻抗值。该项研究使关于线圈阻抗计算方法的研究从非磁性被测体向磁性被测体拓展,进一步完善了涡流检测理论。 2.提出消除被测体电磁特性对传感器输出影响的方法 根据磁场能量守恒定理和对不同电磁特性被测体对传感器输出影响的研究,得出在相同检测距离、不同被测体下线圈电阻和感抗之间存在线性关系,据此提出采用矢量投影法消除传感器测量中被测体电磁特性影响的方法;通过试验法和有限元仿真方法验证了该方法的可行性和正确性;最后通过线圈阻抗幅值/相位混合调制思想实现了传感器输出和被测材料无关的功能。 3.通过线圈阻抗研究探头结构及其几何参数和传感器性能之间的关系 在被测参数一定的情况下,线圈阻抗变化不仅直接体现了探头结构及其参数的变化,而且阻抗变化趋势也体现了传感器性能的好坏。目前关于这方面的研究主要是通过探头结构及线圈参数对传感器的磁场分布的影响进行,而关于线圈磁场分布的理论推导存在大量假设,实验测量较困难且仪器昂贵,测量不便。与此相比,线圈阻抗的计算和测量更为方便和准确。因此提出通过线圈阻抗确定探头结构及其几何参数对传感器性能的影响关系。……   
[关键词]:电涡流传感器;电磁特性;线圈阻抗;探头结构;有限元法
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:电子科技大学2007年
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