新型电涡流传感器测量电路设计

论文摘要

通过对电涡流传感器探头线圈等效电路的理论分析,得出传感器的输出特性和被测对象的电磁特性有密不可分的关系,从而严重限制了传感器的使用范围。为了消除被测材料电磁特性对传感器输出特性的影响、提高传感器性能,需要设计出一种与材料无关的传感器测量电路。本文通过对相敏检波原理的研究,采用相敏检波技术对传感器探头线圈阻抗信号进行正交分解,结合矢量投影方法来消除被测对象的电磁特性对传感器输出的影响,提出幅值相位混合调制的设计思想,设计与被测材料电磁特性无关的测量电路。具体完成的主要工作如下:1.测量电路的设计与仿真根据频率对线圈阻抗的影响确定线圈信号的激励频率,提出测量电路的总体方案,设计出测量电路的功能模块:信号发生电路、阻抗-电压转换电路、电阻-电感正交分解电路和阻抗投影等效电路,同时采用Multisim对电路进行仿真。2.非线性补偿电路的设计与仿真采用黄金分割法结合最小二乘法研究电涡流传感器的输出特性,确定测量电路的相关参数,并以此为依据对传感器进行非线性补偿。采用开环法和闭环法两种补偿方法对传感器进行非线性补偿,非线性化器中的拟和函数分别采用二次拟和函数法和三次拟和拟和函数进行设计和仿真。3.测量电路的功能测试采用Altuim Designer设计双层PCB原理图,对焊接好的测量电路各子模块进行性能测试。搭建实验平台,对测量电路进行功能测试,测试结果表明:（1）功能电路测得的不同被测材料、相同检测距离下线圈的电阻和感抗成线性关系,不同检测距离下的线性关系基本平行。（2）不同被测材料下线圈的等效阻抗值的最大误差为2.5%,因此可以认为通过这种矢量投影方法可以消除被测体电磁特性对传感器输出的影响。（3）通过开环法和闭环法对传感器的非线性进行补偿,补偿结果表明闭环法优于开环法,三次拟合函数法优于比二次函数法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 涡流检测技术的历史
• 1.2 涡流检测的研究现状
• 1.3 涡流检测技术的发展趋势
• 1.4 论文的研究意义
• 1.5 论文结构安排
• 第二章 电涡流传感器基础理论
• 2.1 电涡流传感器的工作原理
• 2.2 影响传感器特性的因素
• 2.2.1 探头线圈参数的影响
• 2.2.2 被测对象表面粗糙度的影响
• 2.2.3 被测对象几何形状、尺寸的影响
• 2.2.4 被测对象电磁特性的影响
• 2.3 电涡流传感器的等效电路与阻抗特性
• 2.3.1 空载等效电路和空载阻抗特性
• 2.3.2 负载等效电路和负载阻抗特性
• 2.4 测量电路
• 2.4.1 电桥法
• 2.4.2 正反馈法
• 2.4.3 谐振法
• 2.5 本章小结
• 第三章 电涡流传感器测量电路的设计与仿真
• 3.1 矢量投影方法
• 3.2 相敏检波原理
• 3.3 信号激励频率的选择
• 3.4 测量电路总体方案
• 3.5 信号发生电路
• 3.5.1 时钟信号发生电路
• 3.5.2 移相网络
• 3.5.3 低通滤波器
• 3.5.4 阻抗变换器
• 3.6 阻抗－电压变换电路
• 3.7 电阻－电感正交分解电路
• 3.8 阻抗投影等效电路
• 3.9 本章小结
• 第四章 电涡流传感器的特性分析及非线性补偿
• 4.1 传感器特性曲线拟合
• 4.1.1 最小二乘法求解拟合方程式
• 4.1.2 用黄金分割法优选拟合直线的最佳斜率和对应的截距
• 4.2 非线性补偿原理
• 4.2.1 开环式非线性补偿
• 4.2.2 闭环式非线性补偿
• 4.3 本章小结
• 第五章 测量电路的PCB 设计与实验
• 5.1 元器件的选择
• 5.2 PCB 的设计
• 5.2.1 PCB 的布局
• 5.2.2 PCB 的布线
• 5.2.3 电源线和地线的布置
• 5.3 电路的测试
• 5.4 测量电路的实验平台及实验步骤
• 5.5 实验结果及分析
• 5.5.1 传感器特性测试
• 5.5.2 非线性补偿测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文