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電渦流傳感器陣列測試技術(shù)
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時(shí)間：2011-03-27
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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電渦流傳感器是一種基于電渦流效應的無(wú)損、非接觸式的傳感器，以其優(yōu)良的測試性能，在機械量的測量以及金屬材料的無(wú)損檢測等領(lǐng)域得到廣泛應用。電渦流傳感器陣列測試技術(shù)的研究始于2O世紀80年代中期，在20世紀80年代末到90年代初，出現了一批電渦流陣列測試方面的文獻和專(zhuān)利。近十年來(lái)，隨著(zhù)傳感器技術(shù)的發(fā)展以及加工工藝技術(shù)水平的提高，電渦流傳感器陣列測試的研究和應用得到極大的發(fā)展，不僅用來(lái)測量大面積金屬表面的位移，而且由于具有同時(shí)檢測多個(gè)方向缺陷的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于金屬焊縫的檢測，飛行器金屬部件的疲勞、老化和腐蝕檢測，渦輪機、蒸氣發(fā)生器、熱交換器以及壓力容器管道等的無(wú)損檢測中。
采用陣列式傳感器，不需使用機械式探頭掃描即可實(shí)現大面積范圍的高速測量，且能夠達到與單個(gè)傳感器相同的測量精度和分辨率，有效地提高了傳感器系統的測試速度、測量精度和可靠性，此外，傳感器陣列的結構形式靈活多樣，可以非常方便地對復雜表面形狀的零件進(jìn)行檢測，因此，陣列式傳感器的研究成為當前傳感器技術(shù)研究中的重要內容和發(fā)展方向。
本文基于一種扁平柔性電渦流傳感器陣列，對電渦流傳感器的陣列測試技術(shù)進(jìn)行了研究，采用時(shí)分多路的陣列測試方法，實(shí)現大面積金屬表面的接近式測量。通過(guò)對傳感器探頭的線(xiàn)圈陣列及引線(xiàn)結構形式的合理設計，配合后續的處理電路及計算機控制，完成電渦流位移傳感器陣列的快速、高精度測量及大面積金屬曲面部件位置狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測。
1、電渦流檢測的基本原理
電渦流檢測的工作原理是檢測激勵線(xiàn)圈磁場(chǎng)和感應渦流磁場(chǎng)之間的交互作用。當敏感線(xiàn)圈通入交流電流時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)蜁?huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，如圖1(a)，如果此時(shí)將金屬導體耙材移入此交變磁場(chǎng)中，耙材表面就會(huì )感應出電渦流，而此電渦流又會(huì )產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的方向與原線(xiàn)圈磁場(chǎng)的方向正好相反，而減弱了原磁場(chǎng)。 
圖1 電渦流檢測的原理
電渦流傳感器通常有兩種檢測方法。一種是單線(xiàn)圈檢測的方法，通過(guò)檢測敏感線(xiàn)圈阻抗的變化來(lái)反映磁場(chǎng)的變化情況。線(xiàn)圈的等效阻抗z一般可表示為函數：
Z=F(σ，μ，f，x，r)
式中：σ，μ分別是被測金屬導體的電導率和磁導率；f是激勵信號的頻率；x是線(xiàn)圈與金屬導體的距離；r是線(xiàn)圈的尺寸因子，與線(xiàn)圈的結構、形狀以及尺寸相關(guān)。
可見(jiàn)，線(xiàn)圈阻抗的變化完整而且唯一地反映了被測金屬導體的電渦流效應。實(shí)際檢測時(shí)，對不需要的影響因素加以控制，就可以實(shí)現對上式中某個(gè)相關(guān)量的檢測。作為接近式傳感器，線(xiàn)圈到金屬耙材之間的距離與線(xiàn)圈的阻抗直接相關(guān)，而檢測金屬表面或近表面的缺陷時(shí)，缺陷的存在將引起被測導體電導率和磁導率的變化，進(jìn)而使線(xiàn)圈的阻抗參數發(fā)生改變。
另一種方法是雙線(xiàn)圈檢測，如圖1(b)，通過(guò)使用另外一個(gè)線(xiàn)圈作為檢測線(xiàn)圈，檢測這兩個(gè)磁場(chǎng)的疊加效果。根據法拉第電磁感應定律，檢測線(xiàn)圈中將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)感應電動(dòng)勢： 
式中：ψ是通過(guò)線(xiàn)圈的交變磁場(chǎng)的磁通量；n是線(xiàn)圈的繞線(xiàn)圈數。
通過(guò)測量檢測線(xiàn)圈中產(chǎn)生的電壓即可非常容易地得到磁場(chǎng)的變化情況。
2、電渦流陣列測試技術(shù)
2.1 電渦流陣列的形式
與其它一些傳感器相比，電渦流傳感器具有一個(gè)比較突出的優(yōu)點(diǎn)——探頭的結構非常簡(jiǎn)單。從電渦流檢測的基本原理可以看出，電渦流傳感器探頭的關(guān)鍵部件是敏感線(xiàn)圈，因此電渦流陣列測試一般都是采用線(xiàn)圈陣列的方法，而不是將多個(gè)獨立的傳感器探頭布置成陣列形式來(lái)使用。針對不同的測試條件和技術(shù)指標要求，線(xiàn)圈陣列可以設計成不同的結構和形式，以實(shí)現復雜形面部件的檢測，但線(xiàn)圈陣列及其匹配電路的針對性設計也帶來(lái)了相對昂貴的成本。
雖然電渦流線(xiàn)圈陣列結構形式的設計靈活多變，但仍然可以根據其檢測方式的不同，大體歸為兩種典型的陣列類(lèi)型。① 基于單線(xiàn)圈檢測的電渦流陣列，如圖2(a)所示，一般是直接在基底材料上制作多個(gè)敏感線(xiàn)圈，布置成矩陣形式的陣列，而且為了消除線(xiàn)圈之間的干擾，相鄰線(xiàn)圈之間要保留足夠的空間。這種電渦流陣列大多用于大面積金屬表面的接近式測量，檢測部件的位置、表面形貌、涂層厚度以及回轉體零件的內外徑等，也可以用來(lái)檢測裂紋等表面缺陷。② 基于雙線(xiàn)圈方式的電渦流陣列檢測，一般設計為一個(gè)大的激勵線(xiàn)圈加眾多小的檢測線(xiàn)圈陣列的形式，如圖2(b)，它能夠非常有效地實(shí)現大面積金屬表面上多個(gè)方向的缺陷的檢測，在無(wú)損檢測的應用上具有較大的優(yōu)勢，已基本取代單線(xiàn)圈檢測的應用。除此以外，近年還出現了一種基于電渦流效應的環(huán)繞線(xiàn)圈磁力計陣列L1 ，它實(shí)際上是一種基于雙線(xiàn)圈檢測的陣列類(lèi)型，通過(guò)對激勵線(xiàn)圈和檢測線(xiàn)圈陣列結構的特殊設計，以取得較好的測試性能。 
圖2 電渦流陣列形式
2.2 電渦流陣列的測試方法
電渦流傳感器響應速度快的特點(diǎn)使其能夠很好地采用電子掃描測試的方法，通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)，逐個(gè)掃描全部的陣列單元，實(shí)現傳感器陣列中所有敏感單元的檢測。采用掃描采樣的方法，能夠大大簡(jiǎn)化傳感器的后續電路，降低系統的成本，而且有利于傳感器系統的小型化，但是由于模擬開(kāi)關(guān)的引入，也導致傳感器的測試精度有所下降。
電渦流傳感器陣列測試的關(guān)鍵還在于線(xiàn)圈陣列的引線(xiàn)設計，圖3是幾種常用的基于單線(xiàn)圈檢測原理的引線(xiàn)設計模式。圖3(a)是敏感線(xiàn)圈兩端分別引線(xiàn)的設計模式，圖3(b)是行列垂直掃描式的引線(xiàn)設計。采用行列垂直結構形式的目的是為了減少傳感器陣列的外接引線(xiàn)數目，這對于傳感器的實(shí)際應用具有重要意義，但同時(shí)又不可避免地帶來(lái)了各陣列單元間的串擾，降低了測量精度。解決串擾的問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的方法就是每個(gè)陣列單元單獨引線(xiàn)(圖3(a))，另外也可以將預處理電路與敏感單元集成，做成一體化的集成傳感器單元，而其代價(jià)將是高昂的制作成本。有時(shí)為了提高掃描采樣的速度，還會(huì )采用一種行掃描采樣的方法，即每次掃描一行，從而大大提高傳感器陣列的測試速度，但需要增加預處理電路的數量。 
圖3 電渦流陣列測試方法
本文電渦流傳感器陣列是用來(lái)實(shí)現金屬表面的接近式測量，故而采用單線(xiàn)圈檢測的陣列形式。其測試方法是在上述兩種設計方案的基礎上加以折中，將所有線(xiàn)圈的一端作為公共端并接地，另一端分別引出與模擬開(kāi)關(guān)連接，如圖3(c)所示。相對于行列垂直引線(xiàn)，這種設計方法雖然引線(xiàn)數目較多，但卻能大大減小線(xiàn)圈之間的串擾，提高測量精度，對于陣列數較少的測試系統，優(yōu)勢尤為明顯。而且采用這種引線(xiàn)方式，模擬開(kāi)關(guān)便可選用一對多的多路復用器，能夠有效地簡(jiǎn)化控制電路，使后續的處理電路進(jìn)一步小型化。
3、系統實(shí)現與試驗
3.1 電渦流陣列的設計和制作
根據上述的測試方法，設計并制作了一種扁平的柔性電渦流傳感器陣列，如圖4，是傳感器探頭的結構簡(jiǎn)圖。傳感器的探頭由敏感線(xiàn)圈陣列及線(xiàn)圈引線(xiàn)所形成的一條引線(xiàn)電纜組成。在一般的使用情況下，探頭的線(xiàn)圈陣列多設計為與圖2(a)類(lèi)似的平面矩形結構(圖4(a))，這里為了更加方便、可靠地實(shí)現對復雜形狀形面的檢測，線(xiàn)圈陣列被設計為一種條形分叉式結構(圖4(b))，而且根據被測表面形狀的不同，線(xiàn)圈陣列的形狀還可以有所不同。圖4(b)中線(xiàn)圈陣列設計為兩條平行的條形結構，以實(shí)現金屬管道的檢測，如果被測曲面為一般平滑曲面，還可以考慮設計成垂直條形結構或者6條分叉式結構。線(xiàn)圈陣列中各敏感線(xiàn)圈的引線(xiàn)設計為一條細長(cháng)的扁平引線(xiàn)電纜，這在大面積曲面間小位移測量的應用中非常重要。引線(xiàn)電纜直接通過(guò)插頭與處理電路連接，由計算機控制實(shí)現傳感器陣列的循環(huán)掃描測試。 
圖4 電禍沉陣歹U的設計
傳感
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