电涡流传感器的稳定工作条件研究

陈宏 吴建德 邵帅 邓焰

摘 要 为了研究电涡流传感器测量系统的工作稳定性，提出了采用试验设计和响应曲面方法分析电涡流传感器的稳定工作条件。通过对电涡流传感器测量系统影响因子的研究，分析显著影响因子的工作特性，建立工作模型，研究电涡流传感器对微小位移的检测能力。研究表明，在电涡流传感器测量系统中，激励源和测试距离是显著影响因子，当激励源频率在（15Hz，27.5Hz）之间，激励源电压幅度在（4V，28V）之间，电涡流传感器在（2mm，10mm）之间的测试距离内检测微小位移，线性度最好，性能可靠，这对于改善实验设备的质量水平提供了科学的实验分析，具有重要的实用价值。

关键词 电涡流传感器 非接触测量 激励源 试验设计 响应曲面方法

中图分类号：TP212.1 文献标识码：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

电涡流式传感器是一种能够非接触测量的传感器。电涡流传感器是利用被测金属导体和传感器之间的电涡流效应进行位移测量 。[1]具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、体积小、不受油污等介质的影响等优点。[2]在损伤检测、[3]盾构滚刀磨损检测、[4]地下金属管线检测、[5]压缩机轴系仪表安装监控、[6]金属板材厚度监测、[7]钞票检测、[8]载荷应力监测、[9]磨浆间隙测量[10]等工业的测试中应用非常广泛，是一种无损检测的检测技术。电涡流传感器是测量毫米级单位的微小位移变化的高精度测量，但是影响电涡流传感器测量系统工作的因素较多，在众多影响因素共同作用下，常常会造成测量结果不准确，测量误差偏大，有时甚至产生故障，无法完成实验任务。为此本文分析电涡流式传感器的统计模型，研究显著因子的变化特性，验证其正确性，得到最优线性度的工作范围，这对于提高电涡流传感器测量微小位移变化的工作能力，改进实验设备的测量水平具有重要意义。

1电涡流传感器测量系统

1.1 工作原理

电磁感应是一种非恒定的暂态效应，1831年10月17日，法拉第發现在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比。根据法拉第电磁感应定律，当传感器的激励线圈中通以正弦交变电流时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，电涡流又会产生新的交变磁场H2。H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致激励线圈的等效阻抗相应地发生变化。由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为电涡流，且该电涡流所产生的磁场的方向与原方向相反。[1]这种现象称为电涡流效应。如图1所示。[2，4]

当改变激励线圈与金属导体的间距并保持其他参数不变，则可通过相应的测量电路通过测得值的变化来实现传感器探头与金属表面间距的测量。[4]

1.2 电涡流传感器测量系统的组成

电涡流式传感器测量系统由电涡流传感器，激励信号，放大电路组成，测量结果在示波器上显示，如图2所示。

在测量中，线圈和被测金属导体是固定的材料，金属导体的物理特性保持不变，在激励信号源的作用下，线圈阻抗随着线圈与金属导体表面的距离变化，电涡流传感器测量系统把这种变化转化成电压的改变，测量系统中输出电压信号的峰峰值显示距离的变化。

2电涡流传感器测量系统的影响因素分析

2.1电涡流传感器测量系统的数据采集

根据流传感器测量系统的工作原理，输出电压信号的大小随线圈到被测金属导体表面之间的间距而变化，输出电压信号的频率和间距变化在工作原理上没有直接联系，为此在电涡流传感器测量系统研究实验中，研究的输出信号是电压峰峰值，输入信号是可能影响电涡流传感器测量系统的因子，需要确定数量和规模。画出鱼骨图，如图3所示。

根据图3分析，第一，测试人员的“情绪”、“体力”和“人的技能”都可以归结于“人员”因，把测试人员的变化因素设定为“好”、“不好”2种状态。第二，“电阻”、“导线”、“电涡流传感器”和“示波器”是测试仪器，“示波器”已经校准，“电阻”的精度在测量过程中保持恒定，只有“电涡流传感器”和“导线”在测量中有“好”和“不好”2个状态。第三，音频“激励源”是整个测量系统的激励信号，有“好”和“不好”2个状态。位移变化的“距离”是线圈到被测金属导体表面之间的间距，间距过大会影响电涡流传感器的工作，为此有在测量范围内和范围外2个状态。第四，根据测量步骤需要进行“差动放大器调零”，这个操作有“正确完成”和“不正确完成”2个状态。第五，线圈的环境的“照明”、“气压”、“温度”、“湿度”和“电磁场”，在测量过程中一直保持恒定，不是变量，不作为测量系统的影响因素。“线路导通”表明是否连接正确，连接不正确就没有输出信号，而且可以及时发现，所以“线路导通”不是变量，不作为测量系统的影响因子。

从上面的分析得知在电涡流传感器测量系统中影响测量结果的输入因素有：“人员”、“电涡流传感器”、“导线”、“激励信号”、“距离”、“差动放大器调零”6个变量的影响因素，输出为电压峰峰值，根据影响因素的对应级别分为用1和–1表示，测量并记录数据，如表1所示。

2.2电涡流传感器测量系统的模型拟合

对采集的数据建立统计模型，分析模型得到的结果如表2所示。

根据表2的拟合报告，可以判定模型拟合的结果。根据假设检验的判定方法，设定原假设H0“因素在统计上不显著”，备择假设HA“因素在统计上显著”，设定Z=0. 05，表2 中 “主要因素”的P值为0. 048Z，不能拒绝原假设H0，即说明“二阶交互”和“三阶交互”在统计上不显著，在试验设计中无须加入更高阶次的交互作用。“曲率”在表2的P值为0.216>Z，于是得到结论“曲率”在统计上不显著，因而说明模型拟合良好，这说明没有异常的曲率，模型拟合良好。

2.3电涡流传感器测量系统的影响因子分析

在模型中，每个因素以及交互作用的影响程度，如图4所示。

从图4可以看出，“音频激励”、“距离”是显著影响因子，具体的影响因子及其交互作用的统计分析如表3所示。

根据假设检验的判定方法对表3中的影响因子进行判断，原假设H0“在统计上不显著”，备择假设HA“在统计上显著”，设定Z= 0.05，表3“人员”的P 值为0.324，显著性水平的可能性P>Z，不能拒绝原假设H0，即说明交互作用在统计上不显著。同理，“传感器”、“导线”、“调零”、“人员*传感器”、“人员*导线”、“人员*音频激励”、“人员*距离”、“人员*调零”、“传感器*音频激励”、“传感器*调零”、“人员*传感器*音频激励”、“人员*传感器*调零”的P>Z，说明交互作用在统计上不显著。但是“音频激励”和“距离”两者的P

由于模型中有大量的非显著因子，拟合模型的离差平方和R2离差平方和91.73%，离差平方和的校准值R2（adj）为60.71%，两者差别很大，为此需要用显著因子重新建立模型，分析显著因子的变化趋势，找出测量准确的工作范围，提高电涡流传感器测量系统的工作性能。

3电涡流传感器测量系统的工作范围及其验证

3.1 建立显著影响因子的统计模型

为了分析显著影响因子“音频激励”和“距离”在电涡流测量系统中的作用，需要重新建立模型。把音频激励的电压和频率作为2个输入条件，建立以“激励电压”、“激励频率”和“距离”3个变量的测量系统，采集数据，建立工作模型，试验设计20次实验，采集数据并记录。得到拟合报告如表4所示。

根据假设检验的判定方法对表4的拟合结果做统计学上的判断，设定原假设H0“在统计上不显著”，备择假设HA“在统计上显著”，设定Z=0.05，表4 中 “归一性”和“线性”的P Z，拒绝备择假设H0， “二次项”、“交互”和“拟合不良”都不显著，说明模型拟合良好。

此时拟合模型得到的的离差平方和R2= 98.9%，的离差平方和的校准值R2（adj） = 97.9%， R2（adj）和R2两者很接近，说明拟合的模型能够说明实际的测量特性。

接着从测量值与预测值的残差分析，得到如图5所示。

图5（a）表明残差是正态分布，图5（b）表明残差随着拟合值的变化是随机绕着均值的分布，图5（c）得出残差独立分布，图5（d）得出残差是随着实验次数随机分布。从上面的分析可以看出模型拟合良好。

3.2 确定工作范围

统计模型的等高线图，可以看出显著影响因子之间的变化关系。如图6所示。

在图6中可以看出，在激励源频率（15Hz，27.5Hz）之间，激励源幅度在（4V，28 V）之间，测试距离在（2mm，10mm）具备最佳工作能力。

3.3 验证

根据上面的结果，设定激励源信号的工作范围，频率在（15Hz，27.5Hz）之间，激励源电压幅度在（4V，28 V）之间，测量微小位移，记录数据，如图7所示。

从图7可以看出，设定激励源频率在（15Hz，27.5Hz）之间，激励源电压幅度在（4V，28 V）之间，测试距离在（2mm，10mm）稳定工作，此时测量结果的线性度和精度很好。

4 结语

电涡流传感器是一种性能优良、能够测量多种参量的传感器实验设备。[11]在高校本科教学中电涡流传感器实验是传感器技术的重要部分。实验设备的质量状况直接影响教学效果，在实验室教学设备的维护中，把构建的统计分析的数学模型和实际应用结合起来，[12]通过数理统计方法对真实的实验中的影响因子进行模拟分析，获得多维参数建立的曲面空间的最优位置，[13]找出稳定工作的条件。在电涡流传感器测量系统中，筛选电涡流传感器测量系统的显著影响因子，分析显著影响因子的工作特性，确立并验证电涡流传感器测量系统最佳线性度的工作范围。研究表明当激励源频率在（15Hz，27.5Hz）之间，激励源电压幅度在（4V，28V）之间，在（2mm，10mm）的测试距离内检测微小位移的能力最好，电涡流传感器线性度好，灵敏度高。这一研究对于有效提高电涡流传感器实验设备的质量水平，改进实验教学效果，提供了科学的实验分析，具有重要的实用价值。

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