鄭良廣， 羅茹丹， 劉莉娜， 呂 陽(yáng)

(1.中國(guó)中車傳感測(cè)量技術(shù)研發(fā)中心，浙江 寧波 315000； 2.寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000；3.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，湖南 株洲 412000)

0 引 言

非接觸測(cè)量是測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)非常重要的方向。非接觸式傳感器由于與被測(cè)目標(biāo)之間不存在物理上的連接，具有測(cè)量過程無摩擦、無損耗，壽命長(zhǎng)、可靠性高、測(cè)量精確等優(yōu)點(diǎn)，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。特別是對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，非接觸傳感器幾乎是唯一的選擇。

非接觸式傳感器中，電渦流傳感器因渦流效應(yīng)測(cè)量原理而適合應(yīng)用于比較惡劣的環(huán)境[1～3]，也是激光、電容式傳感器難以做到的。但是電渦流傳感器測(cè)量主要依附于探頭的敏感線圈，敏感線圈尺寸決定了傳感器的量程、靈敏度等參數(shù)，大量程需要對(duì)應(yīng)大尺寸的敏感線圈[4]。在線圈中增加鐵芯,鐵芯因高磁導(dǎo)率而減弱原激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量，進(jìn)而增大量程，在量程一定的情況下，達(dá)到減小傳感器線圈尺寸的目的[5]。文獻(xiàn)[6]分析指出倒梯形線圈的磁力線分布范圍較小，磁場(chǎng)能量不易損失掉，因此與增加鐵芯原理一致，一定程度上可以減小傳感器的尺寸。文獻(xiàn)[7]對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原來的單線圈結(jié)構(gòu)改為雙線圈結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)線圈負(fù)責(zé)輸入激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，新加入的線圈用于信號(hào)輸出。省去了傳統(tǒng)電渦流傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，從而簡(jiǎn)化傳感器，達(dá)到小型化的目的。

對(duì)于電渦流速度傳感器而言，不僅需要計(jì)量速度，還需要對(duì)轉(zhuǎn)向做出判斷，一般會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)探頭或者放置兩個(gè)傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)[8]，這就更加增大了傳感器的體積，在一些安裝空間受限的地方，增加安裝難度，所以對(duì)可判別轉(zhuǎn)向的單探頭電渦流速度傳感器，小型化的研究是有一定意義的。

本文以電渦流速度傳感器為研究對(duì)象，從敏感線圈結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)可判別轉(zhuǎn)向的單探頭電渦流速度傳感器進(jìn)行研究，通過對(duì)線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到傳感器小型化的目的，并利用有限元仿真軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。

1 電渦流速度傳感器測(cè)量原理

電渦流速度傳感器是一種利用電渦流式感應(yīng)原理對(duì)齒輪速度進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，如圖1(a)所示，通過在探頭線圈中施加高頻激勵(lì)電流，周圍空間會(huì)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，處在磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體表面會(huì)感應(yīng)出渦流，感應(yīng)的渦流與原激勵(lì)電流方向相反，因而生成反向的磁場(chǎng)，對(duì)原磁場(chǎng)而言起抵消作用，最終表現(xiàn)為等效阻抗的變化，且在導(dǎo)體材料、傳感器尺寸等參數(shù)確定的情況下與探頭線圈到導(dǎo)體的距離一一對(duì)應(yīng)。如圖1(b)所示，將電渦流速度傳感器安裝于某處使其保持與齒輪距離不變，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒與槽交替通過傳感器，由于傳感器等效阻抗與到金屬的距離一一對(duì)應(yīng)，通過放大整形、鑒頻等環(huán)節(jié)，最終傳感器輸出一定頻率的近周期方波信號(hào)，該頻率即表現(xiàn)出齒輪的旋轉(zhuǎn)速度。

圖1 電渦流速度傳感器測(cè)量原理示意

2 電渦流速度傳感器探頭線圈簡(jiǎn)化計(jì)算模型

根據(jù)電渦流速度傳感器的測(cè)量原理，如圖2所示，可以將齒輪的感應(yīng)面簡(jiǎn)化成平面進(jìn)行計(jì)算，且傳感器探頭感應(yīng)面與其平行，通過改變兩者間的間隙距離，模擬齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器交替通過齒和槽的情況。

圖2 電渦流速度傳感器簡(jiǎn)化模型示意

圖2中等效齒或槽的簡(jiǎn)化模型可以利用阻抗矩陣法進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)電渦流的測(cè)量原理，當(dāng)傳感器與測(cè)量導(dǎo)體各項(xiàng)參數(shù)確定時(shí)，傳感器輸出與其等效阻抗值一一對(duì)應(yīng)，建立阻抗矩陣對(duì)等效阻抗進(jìn)行求解可以表現(xiàn)傳感器的輸出情況。如圖3所示，將電渦流傳感器的整個(gè)探頭線圈分解為以單個(gè)圓環(huán)線圈為元素的集合，將被測(cè)材料中電渦流分布區(qū)域同時(shí)沿軸向與徑向分解為以單元渦流回路為元素的集合，通過計(jì)算所有單元線圈、單元渦流間的自互感，建立并求解包括所有單元線圈回路與單元渦流回路間的電壓方程組，最終得到探頭線圈輸出阻抗的計(jì)算數(shù)值[9]。

圖3 等效多變壓器模型

圖3中的符號(hào)h，r，w，c，a分別表示探頭線圈與被測(cè)導(dǎo)體的尺寸，p，q，k，s分別表示劃分探頭線圈與被測(cè)導(dǎo)體單元的方向，d為兩者之間的距離，(pt,qt)和(kv,sv)分別表示探頭線圈和被測(cè)材料的一個(gè)劃分單元，R，L，M分別表示電阻、電感和互感。

3 雙線圈單探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電渦流速度傳感器主要由前端感應(yīng)線圈和采集調(diào)理電路組成，在安裝空間上，主要受制于前端的感應(yīng)線圈大小，要將傳感器小型化首先要考慮小型化前端敏感線圈，而電渦流速度傳感器因同時(shí)具備檢速和判向的功能，至少需要兩個(gè)敏感線圈。當(dāng)雙線圈的傳感器探頭的尺寸一定時(shí)，線圈繞制與排布有如圖4所示四種情況。

圖4 四種方案示意

利用有限元仿真軟件對(duì)上述情況建立仿真模型，設(shè)計(jì)傳感器探頭線圈直徑小于14 mm，齒輪齒數(shù)為72，模數(shù)為2；齒輪材料為鐵，轉(zhuǎn)速為100 r/min,保持傳感器與齒輪正對(duì)距離0.8 mm。仿真的線圈及尺寸如表1所示。其中方案3，方案4中線圈匝數(shù)不均勻的情況，最密和最疏的匝數(shù)密度呈2倍關(guān)系。

表1 不同雙線圈結(jié)構(gòu)仿真尺寸參數(shù)

齒輪按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置仿真時(shí)間為5 ms，仿真步長(zhǎng)為0.01 ms，對(duì)線圈的等效電感值進(jìn)行仿真計(jì)算，得到結(jié)果如圖5、表2所示。

圖5 仿真結(jié)果

表2 仿真計(jì)算結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，在占用相同空間的情況下，方案4的兩個(gè)線圈相位差最大，其次是方案3，說明線圈匝數(shù)密度分布不均勻?qū)ο辔徊钣绊懨黠@。比較4種情況的等效電感量，方案1最小，方案3最大，主要因?yàn)樵谡加孟嗤臻g的情況下，方案1因?yàn)榫€圈并排放置，單線圈的外徑最小，而方案3因?yàn)榫€圈同軸，單線圈的外徑最大，等效電感量受線圈外徑影響明顯,驗(yàn)證前文理論計(jì)算值。

從工藝和成本的角度考慮，線圈匝數(shù)密度不均勻且兩個(gè)線圈非同軸等設(shè)計(jì)在繞線工藝上存在一定的難度，利用PCB工藝設(shè)計(jì)線圈，可方便對(duì)線圈的設(shè)計(jì)，同時(shí)大大降低了傳感器的成本。

4 雙線圈疊放垂向間距的影響

從仿真計(jì)算結(jié)果分析，雙線圈疊放輸出效果要比并排放置好，這樣引入了線圈間垂向距離的變量，以方案4為分析模型，通過設(shè)置不同的線圈間垂向距離，仿真等效電感量的情況，仿真結(jié)果如表3所示。

表3顯示，隨著線圈間垂向距離的增大，線圈一等效電感值基本不受影響，而線圈二由于與齒輪距離的增大，等效電感量明顯變小，靈敏度降低，且對(duì)齒槽的敏感度降低。輸出相位差隨線圈間垂向距離的增大而減小，但變化不明顯。線圈間垂向距離過小，線圈受互感影響比較大，且制作工藝難度會(huì)增大，綜合考慮線圈靈敏度以及傳感器尺寸，選取線圈間垂向距離為單線圈厚度大小較為合適。

表3 線圈垂向間距影響的仿真結(jié)果

此外，單螺旋結(jié)構(gòu)的探頭線圈受溫度影響是比較大的，一般都需要后端進(jìn)行溫度補(bǔ)償操作[10]，但當(dāng)探頭結(jié)構(gòu)為雙線圈時(shí)，由于兩個(gè)線圈封裝在一個(gè)探頭中，處于相同的溫度環(huán)境，利用差分的測(cè)量方法可以彌補(bǔ)單螺旋線圈結(jié)構(gòu)溫度漂移大的問題，同時(shí)因?yàn)楸苊饬撕蠖说臏囟妊a(bǔ)償手段，在一定程度上也減小了傳感器的體積，提高了傳感器輸出的穩(wěn)定性。

如圖6所示，兩個(gè)線圈通過設(shè)置不同的放大倍數(shù)，差分后檢測(cè)會(huì)因相位的超前或滯后呈現(xiàn)不同的輸出，可以以此對(duì)方向做出判斷。

圖6 雙線圈差值法判斷方向示意

5 結(jié) 論

電渦流速度傳感器需要同時(shí)做到檢速和辯向，通常情況下需要雙探頭或者雙傳感器，這在一些安裝空間狹小的地方比較受限。本文從探頭線圈結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析討論不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，得到如下結(jié)論：1)在探頭尺寸一定的情況下，雙線圈疊放方式傳感器輸出特性好。2)在線圈尺寸一定的情況下，線圈匝數(shù)密度分布不均勻?qū)ο辔徊钐嵘Ч黠@。3)單探頭雙線圈結(jié)構(gòu)通過差分檢測(cè)方式可以有效解決單螺旋線圈溫漂大的問題。