呂云騰，祝長生

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310000）

電渦流傳感器由于具有無接觸、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等眾多優(yōu)點，在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］.以位移為測量對象的電渦流位移傳感器，通過探頭線圈與被測材料間的電磁耦合，將位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行輸出［6-9］.由于電磁耦合原理在高溫工況下依然存在，電渦流位移傳感器可以用于高溫環(huán)境下的位移測量［10-11］.電渦流傳感器應(yīng)用于高溫環(huán)境下，需要滿足以下條件：1）高溫環(huán)境不會對傳感器硬件造成損害；2）能夠輸出具有良好溫漂抑制能力的位移信號.選擇具有相對低溫度系數(shù)的探頭線圈輸出電抗作為直接輸出信號的方法［10］，由于輸出電抗與位移間的非線性，需要增加額外的線性擬合環(huán)節(jié)；采用雙傳感器相對放置且差動輸出的方式，雖然能夠消除溫度變化造成的輸出偏置點漂移［11-12］，但是在很多實際環(huán)境中不會提供放置差動測量的空間.

本文介紹一種能夠工作于常溫至500℃高溫環(huán)境下的電渦流位移傳感器.首先，介紹了實驗中的硬件設(shè)備，包括改進的高溫探頭與檢驗傳感器輸出性能的校驗設(shè)備；其次介紹了高溫電渦流位移傳感器的位移測量電路與溫度補償電路；最后通過實驗結(jié)果驗證了本文所設(shè)計的電渦流位移傳感器的輸出特性與溫漂抑制能力，并對相關(guān)誤差進行分析.

1 實驗硬件介紹

1.1 高溫探頭設(shè)計

為了使傳感器探頭需要能夠在20～500℃的溫度環(huán)境中工作，本文設(shè)計的高溫電渦流傳感器探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示.高溫探頭結(jié)構(gòu)上由2部分組成：探頭基底與探頭線圈.探頭基底由氧化鋁高溫陶瓷材料構(gòu)成，具有很低的熱膨脹系數(shù)（0.000 3／℃）并且可以耐受高達1 000 ℃的高溫.

考慮到磁性材料的高磁導(dǎo)率會降低集膚深度，繞線線圈的導(dǎo)體材料選擇非磁性的鋁鎂合金，以增大導(dǎo)體對高頻信號的有效截面積，降低導(dǎo)體電阻和輸出阻抗的相對溫漂.線圈導(dǎo)線采用陶瓷材料作為絕緣層，以適應(yīng)高溫環(huán)境.在實驗中，采用高溫膠來固定線圈繞線在探頭上的位置.如表1所示為探頭的相關(guān)參數(shù).

圖1 傳感器探頭Fig.1 Structure of sensor probe

表1 探頭線圈的幾何參數(shù)Tab.1 Geometrical parameters of sensor probe

1.2 實驗測量系統(tǒng)

實驗中的高溫變化環(huán)境是由溫度可控的恒溫箱來模擬的整個實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.傳感器探頭與被測材料都置于恒溫箱內(nèi)部，測量電路與位移調(diào)整機構(gòu)都置于箱外的常溫環(huán)境中.測量電路與探頭之間通過高溫導(dǎo)線連接.位移的調(diào)整與測量由箱外的螺旋測微儀完成，螺旋測微儀與被測材料之間通過機械結(jié)構(gòu)直接相連.螺旋測微儀與高溫箱都固定于地面，兩者之間相對靜止.

圖2 傳感器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sensor measurement system

2 位移測量與溫度補償電路

對位移的測量與溫度的補償是由基本調(diào)制電路與溫度補償電路同時完成的.調(diào)制電路實現(xiàn)位移的基本測量與輸出，但是輸出信號中的溫漂非常明顯；溫度補償電路針對含有溫漂的位移信號，分別通過對靈敏度與信號基值進行補償，最終將溫度影響抑制在允許的范圍之內(nèi).

2.1 位移測量電路

從式（6）可以看出，溫度變化對諧振回路的等效輸出阻抗有很明顯的影響.當溫度上升至500℃時，諧振頻率下諧振回路的輸出阻抗的變化量為常溫下輸出阻抗的2倍.

如圖6所示為溫控電壓信號的發(fā)生電路，用于補償由于溫度變化帶來的傳感器輸出基值的漂移.圖中，RB為熱敏電阻.當溫度升高時，電路的輸出電壓隨之升高.傳感器基值補償電路的輸出電壓為

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2.2 溫度補償電路

圖3 位移測量電路Fig.3 Displacement detection circuit

圖4 探頭線圈LC諧振回路Fig.4 LC resonance circuit of probe coil

如圖5所示為溫度補償電路中的靈敏度補償電路部分.圖中，RA為熱敏電阻.將調(diào)制測量電路輸出的位移信號作為靈敏度補償電路的輸入信號.熱敏電阻與傳感器探頭一起放置于高溫環(huán)境中，熱敏電阻通過高溫導(dǎo)線與溫控箱外的補償電路相連接.電路的放大倍數(shù)為

式 中：T 為 環(huán) 境 溫 度，d 為 待 測 位 移.

當傳感器工作時，整個測量電路的工作頻率位于諧振頻率附近.當電路處于諧振狀態(tài)時，諧振回路的等效輸出阻抗Zeq可以表示為

如圖7 所示為整個溫度補償電路的結(jié)構(gòu)示意圖.對于調(diào)制電路輸出的位移信號，通過分析其在各個溫度下的靈敏度與基值，可以確定溫度補償電路的具體參數(shù).

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當傳感器探頭的環(huán)境溫度在20～500℃內(nèi)變化時，線圈電阻的變化量為

一般線圈金屬導(dǎo)體的溫度系數(shù)k取0.004／℃（金屬銅為0.003 9／℃，金屬鋁為0.004 3／℃）.因此，諧振頻率下諧振回路等效輸出阻抗的最大變化量為

普通電渦流位移傳感器的測試電路按原理大體可以分為3類：恒頻調(diào)幅電路、變頻調(diào)幅電路及調(diào)頻電路［13］.此外，Darko［14］提 出 基 于 自 動 調(diào) 諧 電 路 輸出線圈阻抗倒數(shù)的測量方法，Li等［15-16］提出以測量線圈所構(gòu)成的LC回路的瞬態(tài)時域參數(shù)為輸出對象的測量方法.上述幾種測量電路都是通過探頭線圈與被測材料間的電磁耦合，將位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?，區(qū)別在于電信號的選擇以及實現(xiàn)功能的具體電路不同.

如圖4所示為探頭線圈所在諧振回路的等效電路圖.圖中，R 為探頭線圈的等效電阻，L 為探頭線圈的等效電抗.當傳感器探頭的環(huán)境溫度變化時，不僅金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率會發(fā)生改變，探頭線圈也會因熱脹冷縮而改變幾何尺寸.因此，環(huán)境溫度對探頭線圈的電阻與電抗都會有一定的影響，即

當溫度變化時，電路的放大倍數(shù)隨之變化：當溫度升高時，RA和α增大，反之α 減少.R2應(yīng)根據(jù)傳感器位移特性中靈敏度受溫度影響波動的實際數(shù)值進行選取.

本文的位移傳感器位移-電信號的轉(zhuǎn)換選擇如圖3所示的恒頻調(diào)幅電路，即將待測的位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龊泐l正弦信號的幅值，通過峰值檢波電路實現(xiàn)對該幅值信號的檢測與輸出.恒頻調(diào)幅電路的工作頻率為800kHz.

式中：Q0為并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，

式中：R3需要根據(jù)實際位移特性中偏置電壓在不同溫度下波動的數(shù)值進行選擇.

人才培養(yǎng)的基本要求是育人。大學(xué)人才培養(yǎng)應(yīng)注重以下方面：（1）在科學(xué)層面要具備科學(xué)的方法論和認識論。應(yīng)授之以漁。追求考分的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)的是解題能力，而不是解決問題的能力，學(xué)歷不能等同于能力，知識好不好用，只有在具體工作中體現(xiàn)。因此，教者應(yīng)循循善誘，旁征博引，明其理、精其術(shù)，舉一反三，以達明理明道。（2）在文化層面要具備正確的人生觀、價值觀和世界觀。育人不能只看分數(shù)，更應(yīng)看為人之道。追求功利的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)的只是狹隘的個人幸福。夫不能報國，不能善待，其擁萬貫不能盡意，其擁相位不能達欲，不可謂君子，不可謂人才，關(guān)鍵在立德樹人。

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圖5 靈敏度補償電路Fig.5 Sensitivity compensation circuit

圖6 溫控電壓信號Fig.6 Temperature-controlled voltage signal

圖7 溫度補償電路Fig.7 Temperature-compensation circuit

3 實驗結(jié)果分析

3.1 實驗結(jié)果

當傳感器探頭的環(huán)境溫度變化時，探頭線圈的電阻率會發(fā)生變化，同時由于熱脹冷縮現(xiàn)象的影響，探頭線圈的幾何尺寸也會發(fā)生變化，進而影響輸出電抗.為了盡量增大輸出信號對于被測位移的靈敏度，通常被測材料選擇為磁性材料，而磁性材料的相對磁導(dǎo)率會受溫度的影響而變化.這些因素都會增加輸出位移信號中的溫漂.圖8分別為恒頻調(diào)幅電路在25、300、500 ℃下的輸出特性.圖中，d 為位移.表2為位移輸出信號在高溫下（100、300、500 ℃）相對于常溫下的溫漂偏移.其中，偏置電壓的計算方法取各個位移下輸出電壓變化量的平均值，即

圖8 位移信號輸出特性（補償前）Fig.8 Displacement output（uncompensated）

表2 溫漂偏移Tab.2 Temperature drift

位移信號中的溫漂通過溫度補償電路進行補償.溫度補償包括2部分：靈敏度補償與偏置補償.補償電路通過使用熱敏電阻來實時檢測溫度的變化.熱敏電阻（Pt100）在25～500℃下的輸出特性如圖9所示.可以看出，熱敏電阻的輸出電阻Ro隨環(huán)境溫度θ基本上呈線性關(guān)系.

總之，在水利工程建設(shè)階段，結(jié)合施工合同的各項條款，加強對各種風(fēng)險的分析，制定切實可行的控制措施，保證施工進度，才有利于確保工程建設(shè)的順利開展及社會、經(jīng)濟效益的提升。

根據(jù)圖8 與表2 所示的調(diào)制電路位移輸出結(jié)果，計算得到圖5、6中的電路參數(shù).電路參數(shù)的取值如表3所示.

由圖13和圖14可得：公差越小，成本越大，即公差成本較質(zhì)量損失成本對總成本的影響更大；工序2的公差變化對成本影響最小，其次是工序1，最后是工序3；工序3對成本的影響大于工序1和工序2共同作用時對成本的影響；3個工序?qū)Τ杀镜挠绊懺诟髯匀≈捣秶鷥?nèi)都是公差越小，相同公差變化對成本變化影響越大，隨著公差的增大，相同公差變化對成本變化的影響越來越不顯著。

表3 電路參數(shù)取值Tab.3 Circuit parameters Ω

如圖10 所示為溫度補償后傳感器在25、300和500 ℃下的位移輸出特性.表4為位移輸出信號在高溫下（100、300、500 ℃）相對于常溫下的溫度偏移.比較補償前、后各個溫度下的位移輸出特性可知，經(jīng)過溫度補償后的輸出信號對于被測位移具有良好的線性關(guān)系，并且對于溫度影響的抑制效果非常明顯（靈敏度溫漂從補償前的32%（最大值）降為8%以下，偏置值溫漂從補償前的3.7V（最大值）降為補償后的0.5V 以下）.

圖9 熱敏電阻輸出特性Fig.9 Output characteristics of thermistor

圖10 位移信號輸出特性（補償后）Fig.10 Displacement output（compensated）

表4 溫漂偏移Tab.4 Temperature drift

3.2 實驗誤差分析

實驗中的誤差主要來自圖2所示的測量校準系統(tǒng)中位移調(diào)整及測量結(jié)構(gòu)由熱脹冷縮而造成的幾何尺寸的變化.傳感器探頭被固定于溫控箱內(nèi)部，但被測材料所在的連接軸端可以自由活動.當溫度升高時，位于溫控箱內(nèi)部的機械連接軸會由于熱膨脹而增加軸向長度，造成被測位移的誤差.實驗中所使用的用于連接被測材料與螺旋測微儀的機械軸材料為＃45鋼.如表5所示為＃45鋼在各個溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)k［18］.

表5 平均熱膨脹系數(shù)Tab.5 Average thermal expansion factor

相對于常溫下的幾何尺寸，由于溫度升高而造成的連接軸熱膨脹尺寸計算如下：

式中：l為位于恒溫箱內(nèi)部連接軸的長度，實驗中l(wèi)為12cm.雖然這個量不大，但應(yīng)該從被測位移中減去.

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的高溫電渦流位移傳感器能夠在常溫至500℃下完成溫度測量的功能.通過溫漂補償，測量電路輸出位移信號中的溫漂得到了有效抑制，其中靈敏度溫漂由未補償時的32%（最大值）降至補償后的8%以下，偏置值溫漂由未補償時的3.7 V（最大值）降至補償后的0.5V 以下.

前列腺癌是男性泌尿生殖系統(tǒng)的常見惡性腫瘤，通常情況下起病較為隱匿，生長較為緩慢，因在早期無明顯癥狀，僅僅是篩查時會發(fā)現(xiàn)PSA升高或直腸指檢會發(fā)現(xiàn)前列腺異常改變，而一旦有臨床癥狀出現(xiàn)，常為較晚的進展期[1]。傳統(tǒng)上通過觀察血清PSA濃度變化以判斷治療前列腺癌的療效[2]。影像學(xué)方法主要以腫瘤體積的改變?yōu)樵u價指標[3]。但臨床上一旦這兩種指標提示治療無效，會影響患者繼續(xù)堅持接受有效方案的治療。因此，本研究探討了核磁共振成像(MRI)聯(lián)合PSA在前列腺癌診斷和治療效果評估中的作用，以期為其早期診斷和治療效果的早期評估提供參考。現(xiàn)報告如下。

不足之處如下.

（1）實驗中對溫漂的克服完全依賴于熱敏電阻及其所在的放大回路.因此，熱敏電阻與被測材料間的溫度差異會造成位移測量的誤差.

為獲取某種特定類型的船舶領(lǐng)域，需要對區(qū)域內(nèi)船舶進行分類，將相同類型的船舶歸為一類。則某一特定類型的船舶周圍船舶距離最近時的相對位置為

（2）實驗誤差的消除方法比較粗略.實驗誤差的計算只考慮了連接軸部分的熱脹冷縮，忽略了其他部件.

（3）溫度補償電路串接在調(diào)制電路之后的，因此必然產(chǎn)生一定的滯后延時，縮短工作頻帶.

雞蛋坪組遍布全區(qū)，分布廣泛，自下而上可分為上、中、下三個巖性段，區(qū)內(nèi)僅出露上、中二個巖性段，總體上呈NE向展布，是礦區(qū)賦礦層位。上段巖性主要為巨厚層的安山巖，局部夾小面積的凝灰?guī)r透鏡體及構(gòu)造角礫巖；雞蛋坪組中段巖性主要為安山巖、英安巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、構(gòu)造角礫巖，二巖性段間為整合接觸。

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