電渦流傳感器是一種基于電渦流效應(yīng)的無損、非接觸式的傳感器，以其優(yōu)良的測(cè)試性能，在機(jī)械量的測(cè)量以及金屬材料的無損檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電渦流傳感器陣列測(cè)試技術(shù)的研究始于2O世紀(jì)80年代中期，在20世紀(jì)80年代末到90年代初，出現(xiàn)了一批電渦流陣列測(cè)試方面的文獻(xiàn)和專利。近十年來，隨著傳感器技術(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(cè)試的研究和應(yīng)用得到極大的發(fā)展，不僅用來測(cè)量大面積金屬表面的位移，而且由于具有同時(shí)檢測(cè)多個(gè)方向缺陷的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬焊縫的檢測(cè)，飛行器金屬部件的疲勞、老化和腐蝕檢測(cè)，渦輪機(jī)、蒸氣發(fā)生器、熱交換器以及壓力容器管道等的無損檢測(cè)中。
采用陣列式傳感器，不需使用機(jī)械式探頭掃描即可實(shí)現(xiàn)大面積范圍的高速測(cè)量，且能夠達(dá)到與單個(gè)傳感器相同的測(cè)量精度和分辨率，有效地提高了傳感器系統(tǒng)的測(cè)試速度、測(cè)量精度和可靠性，此外，傳感器陣列的結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可以非常方便地對(duì)復(fù)雜表面形狀的零件進(jìn)行檢測(cè)，因此，陣列式傳感器的研究成為當(dāng)前傳感器技術(shù)研究中的重要內(nèi)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(duì)電渦流傳感器的陣列測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究，采用時(shí)分多路的陣列測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)大面積金屬表面的接近式測(cè)量。通過對(duì)傳感器探頭的線圈陣列及引線結(jié)構(gòu)形式的合理設(shè)計(jì)，配合后續(xù)的處理電路及計(jì)算機(jī)控制，完成電渦流位移傳感器陣列的快速、高精度測(cè)量及大面積金屬曲面部件位置狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1、電渦流檢測(cè)的基本原理
電渦流檢測(cè)的工作原理是檢測(cè)激勵(lì)線圈磁場(chǎng)和感應(yīng)渦流磁場(chǎng)之間的交互作用。當(dāng)敏感線圈通入交流電流時(shí)，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，如圖1(a)，如果此時(shí)將金屬導(dǎo)體耙材移入此交變磁場(chǎng)中，耙材表面就會(huì)感應(yīng)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(cè)的原理
電渦流傳感器通常有兩種檢測(cè)方法。一種是單線圈檢測(cè)的方法，通過檢測(cè)敏感線圈阻抗的變化來反映磁場(chǎng)的變化情況。線圈的等效阻抗z一般可表示為函數(shù)：
Z=F(σ，μ，f，x，r)
式中：σ，μ分別是被測(cè)金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率；f是激勵(lì)信號(hào)的頻率；x是線圈與金屬導(dǎo)體的距離；r是線圈的尺寸因子，與線圈的結(jié)構(gòu)、形狀以及尺寸相關(guān)。
可見，線圈阻抗的變化完整而且唯一地反映了被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，對(duì)不需要的影響因素加以控制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上式中某個(gè)相關(guān)量的檢測(cè)。作為接近式傳感器，線圈到金屬耙材之間的距離與線圈的阻抗直接相關(guān)，而檢測(cè)金屬表面或近表面的缺陷時(shí)，缺陷的存在將引起被測(cè)導(dǎo)體電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而使線圈的阻抗參數(shù)發(fā)生改變。
另一種方法是雙線圈檢測(cè)，如圖1(b)，通過使用另外一個(gè)線圈作為檢測(cè)線圈，檢測(cè)這兩個(gè)磁場(chǎng)的疊加效果。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，檢測(cè)線圈中將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：
式中：ψ是通過線圈的交變磁場(chǎng)的磁通量；n是線圈的繞線圈數(shù)。
通過測(cè)量檢測(cè)線圈中產(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(cè)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(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。從電渦流檢測(cè)的基本原理可以看出，電渦流傳感器探頭的關(guān)鍵部件是敏感線圈，因此電渦流陣列測(cè)試一般都是采用線圈陣列的方法，而不是將多個(gè)獨(dú)立的傳感器探頭布置成陣列形式來使用。針對(duì)不同的測(cè)試條件和技術(shù)指標(biāo)要求，線圈陣列可以設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和形式，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面部件的檢測(cè)，但線圈陣列及其匹配電路的針對(duì)性設(shè)計(jì)也帶來了相對(duì)昂貴的成本。
雖然電渦流線圈陣列結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)靈活多變，但仍然可以根據(jù)其檢測(cè)方式的不同，大體歸為兩種典型的陣列類型。① 基于單線圈檢測(cè)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)敏感線圈，布置成矩陣形式的陣列，而且為了消除線圈之間的干擾，相鄰線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(cè)量，檢測(cè)部件的位置、表面形貌、涂層厚度以及回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外徑等，也可以用來檢測(cè)裂紋等表面缺陷。② 基于雙線圈方式的電渦流陣列檢測(cè)，一般設(shè)計(jì)為一個(gè)大的激勵(lì)線圈加眾多小的檢測(cè)線圈陣列的形式，如圖2(b)，它能夠非常有效地實(shí)現(xiàn)大面積金屬表面上多個(gè)方向的缺陷的檢測(cè)，在無損檢測(cè)的應(yīng)用上具有較大的優(yōu)勢(shì)，已基本取代單線圈檢測(cè)的應(yīng)用。除此以外，近年還出現(xiàn)了一種基于電渦流效應(yīng)的環(huán)繞線圈磁力計(jì)陣列L1 ，它實(shí)際上是一種基于雙線圈檢測(cè)的陣列類型，通過對(duì)激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈陣列結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，以取得較好的測(cè)試性能。
圖2 電渦流陣列形式
2.2 電渦流陣列的測(cè)試方法
電渦流傳感器響應(yīng)速度快的特點(diǎn)使其能夠很好地采用電子掃描測(cè)試的方法，通過控制模擬開關(guān)，逐個(gè)掃描全部的陣列單元，實(shí)現(xiàn)傳感器陣列中所有敏感單元的檢測(cè)。采用掃描采樣的方法，能夠大大簡(jiǎn)化傳感器的后續(xù)電路，降低系統(tǒng)的成本，而且有利于傳感器系統(tǒng)的小型化，但是由于模擬開關(guān)的引入，也導(dǎo)致傳感器的測(cè)試精度有所下降。
電渦流傳感器陣列測(cè)試的關(guān)鍵還在于線圈陣列的引線設(shè)計(jì)，圖3是幾種常用的基于單線圈檢測(cè)原理的引線設(shè)計(jì)模式。圖3(a)是敏感線圈兩端分別引線的設(shè)計(jì)模式，圖3(b)是行列垂直掃描式的引線設(shè)計(jì)。采用行列垂直結(jié)構(gòu)形式的目的是為了減少傳感器陣列的外接引線數(shù)目，這對(duì)于傳感器的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，但同時(shí)又不可避免地帶來了各陣列單元間的串?dāng)_，降低了測(cè)量精度。解決串?dāng)_的問題，最簡(jiǎn)單的方法就是每個(gè)陣列單元單獨(dú)引線(圖3(a))，另外也可以將預(yù)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(cè)試速度，但需要增加預(yù)處理電路的數(shù)量。
圖3 電渦流陣列測(cè)試方法
本文電渦流傳感器陣列是用來實(shí)現(xiàn)金屬表面的接近式測(cè)量，故而采用單線圈檢測(cè)的陣列形式。其測(cè)試方法是在上述兩種設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上加以折中，將所有線圈的一端作為公共端并接地，另一端分別引出與模擬開關(guān)連接，如圖3(c)所示。相對(duì)于行列垂直引線，這種設(shè)計(jì)方法雖然引線數(shù)目較多，但卻能大大減小線圈之間的串?dāng)_，提高測(cè)量精度，對(duì)于陣列數(shù)較少的測(cè)試系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)尤為明顯。而且采用這種引線方式，模擬開關(guān)便可選用一對(duì)多的多路復(fù)用器，能夠有效地簡(jiǎn)化控制電路，使后續(xù)的處理電路進(jìn)一步小型化。
3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)
3.1 電渦流陣列的設(shè)計(jì)和制作
根據(jù)上述的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。傳感器的探頭由敏感線圈陣列及線圈引線所形成的一條引線電纜組成。在一般的使用情況下，探頭的線圈陣列多設(shè)計(jì)為與圖2(a)類似的平面矩形結(jié)構(gòu)(圖4(a))，這里為了更加方便、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀形面的檢測(cè)，線圈陣列被設(shè)計(jì)為一種條形分叉式結(jié)構(gòu)(圖4(b))，而且根據(jù)被測(cè)表面形狀的不同，線圈陣列的形狀還可以有所不同。圖4(b)中線圈陣列設(shè)計(jì)為兩條平行的條形結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)金屬管道的檢測(cè)，如果被測(cè)曲面為一般平滑曲面，還可以考慮設(shè)計(jì)成垂直條形結(jié)構(gòu)或者6條分叉式結(jié)構(gòu)。線圈陣列中各敏感線圈的引線設(shè)計(jì)為一條細(xì)長(zhǎng)的扁平引線電纜，這在大面積曲面間小位移測(cè)量的應(yīng)用中非常重要。引線電纜直接通過插頭與處理電路連接，由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)傳感器陣列的循環(huán)掃描測(cè)試。
圖4 電禍沉陣歹U的設(shè)計(jì)
傳感器的探頭采用柔性印刷電路板(FPCB)-E藝在聚酰亞胺薄膜上制作，探頭敏感線圈陣列的整體尺寸很大，能達(dá)到200 mm ×200 mm。，而厚度卻很薄，不超過0．15 mm，且具有良好的柔韌性，幾乎能夠應(yīng)用于各種幾何形狀形面的測(cè)量。
3.2 測(cè)試系統(tǒng)與試驗(yàn)
測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如圖5所示，通過計(jì)算機(jī)控制多路復(fù)用器，循環(huán)掃描采樣所有的陣列單元。傳感器的變換電路采用調(diào)頻式振蕩電路，電路輸出的頻率信號(hào)由計(jì)算機(jī)內(nèi)置的頻率數(shù)據(jù)采集卡來采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到所需的被測(cè)曲面的位置。
圖5 傳感器系統(tǒng)原理圖
采用大面積的鐵質(zhì)平面對(duì)傳感器陣列進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖6中4條曲線分別是傳感器陣列中一條支路上4個(gè)敏感單元的測(cè)試結(jié)果，4條曲線不重合的原因是由于敏感線圈位最和引線的影響，采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒茨芎芎玫亟鉀Q。測(cè)試結(jié)果表明，在2 mm 的測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器陣列的測(cè)試精度優(yōu)于±0.25。采用傳感器陣列進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于陣列單元間寄生電容的影響，振蕩電路的中心頻率會(huì)有所降低，并導(dǎo)致傳感器的靈敏度略有減小。為了提高傳感器的靈敏度，對(duì)振蕩電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提高振蕩電路的中心頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在2 mm的量程范圍內(nèi)，傳感器的平均測(cè)量靈敏度約為70 Hz／μm，達(dá)到了很好的效果。
圖6 電渦流陣列的性能實(shí)驗(yàn)
4、結(jié)論
電渦流傳感器陣列具有比傳統(tǒng)電渦流傳感器更加優(yōu)越的測(cè)試性能和廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)了一種扁平柔性電渦流傳感器陣列，以實(shí)現(xiàn)大面積金屬曲面部件位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)電渦流陣列測(cè)試技術(shù)的研究，采用分時(shí)復(fù)用的掃描檢測(cè)方法和信號(hào)傳輸方法，將傳感器線圈陣列中所有線圈的一端設(shè)計(jì)為公共接地端，另一端分別接入多路復(fù)用器，只用一套信號(hào)變換電路和信號(hào)調(diào)理電路即完成傳感器陣列中全部敏感線圈的采樣，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路，而且減小了各陣列單元間的干擾，提高了傳感器系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)了電渦流傳感器陣列的快速、高精度測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2 mm 的測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器陣列的測(cè)試精度達(dá)到±O.25，且具有較高的靈敏度，滿足了大面積金屬曲面部件位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用要求。(end)
