长输送油气管道膨胀检测涡流传感器线圈特性的研究

2015-01-27胡铁华汪华军

机电产品开发与创新 2015年6期

傅裕，刘锐，胡铁华，汪华军

（机械科学研究总院，北京 100044）

0 引言

涡流传感器线圈完成传感器信号的收发，在检测中起着非常重要的作用。本文所用线圈采用信号发射接收一体式。在传感器研制中，一般期望测量位移的传感器量程大、灵敏度高。但是，一般情况下两者无法兼顾。因此，在研制过程中应根据测量的实际要求保证其满足主要的参数。若要保证传感器具有较大的量程，线圈产生的磁场在轴向上分布范围要大；若要保证传感器具有较高的灵敏度，则需被测件在沿传感器线圈轴向移动时涡流损耗功率的梯度要大[1，2]。由涡流传感器检测原理可知，涡流传感器的量程和灵敏度主要受线圈及被测件表面的涡流影响。以下分别对涡流传感器线圈和被测件表面的涡流进行研究。

1 涡流传感器检测原理

涡流检测是一种常规的无损检测技术，以电磁感应原理为基础，依据材料电磁性能变化进行检测。交变的激励信号施加于被测件附近的线圈上，线圈产生交变磁场，导体表面在该磁场的作用下感应产生出涡流。涡流测距原理如图1 所示。

被测件表面的涡流的电流方向与线圈的电路方向相反，产生一个磁场反作用于线圈，使得谐振电路中的电参数发生改变，如电流、电压、线圈的等效电感等。这些参数是相关的，它们的变化量与线圈和被测件的物理性质有关，包括被测件的磁导率μ、被测件的电导率σ、线圈与被测件距离x、线圈尺寸γ、线圈中的激励电流强度I 和频率f。选择线圈的阻抗作为传感器的测量值，其函数关系式如下[3]：

图1 涡流测距原理

式中，Z—线圈阻抗（Ω）；μ—被测件磁导率（H/m）；σ—被测件电导率（S/m）；x—线圈与被测件距离（m）；γ—线圈尺寸（m）；I—线圈中的激励电流强度（A）；f—线圈中激励电流频率（Hz）。

由式（1）可知，若只改变位移而保持其他参数不变，则线圈阻抗Z 只与位移x 的变化有关。当涡流传感器线圈到被测件的位移改变时，线圈的阻抗随之变化，谐振回路中的电流电压变化，从而把传感器线圈到被测件的位移量转换成电路中的电流或电压信号。这就是涡流传感器测量位移的原理。

2 线圈轴向磁场研究

单匝载流线圈示意图如图2 所示，其在轴向上的M点的磁感应强度，由毕奥萨伐尔定律可得：

图2 单匝载流线圈示意图

式中：B—轴向上磁感应强度（T）；μ0—真空磁导率（H/m）；I—线圈上通过电流（A）；R—线圈半径（m）；x—轴向上与线圈中心的距离（m）。

传感器线圈产生的磁场可认为由多个单匝线圈叠加而成。涡流传感器线圈示意图如图3 所示。当线圈匝数为N，电流为I 时，截面dxdy 元电流密度可表示为：

图3 涡流传感器线圈示意图

式中：i—线圈中的电流密度（A/m2）；Ra—扁平线圈内半径（m）；Rb—扁平线圈外半径（m）；h—扁平线圈轴向厚度（m）；N—扁平线圈匝数（匝）。代入式（3）元电流在点P 处的磁感应强度可表示为：

式中：x—元电流到P 点处x 轴方向距离（m）；y—元电流到P 点处y 轴方向距离（m）。线圈在其轴向上距离为x 的点处磁感应强度可表示为：

式中：c—常数，无量纲。由式（5）可知，载流线圈轴向上距离为的点处的磁感应强度受线圈内外径、线圈的轴向厚度影响。因此，通过改变传感器线圈的内外径、线圈的轴向厚度可以改变涡流传感器的量程。

3 Matlab 计算仿真

对传感器量程和灵敏度与线圈的各个参数的关系进行研究，采用Matlab 对线圈进行仿真计算。采用单一变量法分别对线圈内径、外径、轴向厚度与线圈轴向上磁感应强度及梯度的关系进行研究。

3.1 线圈轴向厚度的影响

保持线圈内外径不变，改变线圈轴向厚度h，得到磁感应强度与距离的关系曲线（d-B 曲线）如图4 所示。

图4 不同轴向厚度的线圈的d-B 曲线

由图4 可知，轴向厚度不同的线圈轴向磁场分布范围大致相同，线圈的轴向厚度越小磁感应强度的梯度越大。因此，通过减小涡流传感器线圈的轴向厚度可传感器的灵敏度越高。

3.2 线圈外径的影响

保持线圈轴向厚度、线圈内径不变，改变线圈的外径，得到磁感应强度与距离的关系曲线（d-B 曲线）如图5 所示。由图5 可知，当传感器线圈外径大时，轴向磁场的分布范围大，但梯度小；当传感器线圈外径小时，轴向磁场的分布范围小，但梯度大。因此，线圈外径对传感器量程和灵敏度均有影响，增大线圈外径可增大传感器的量程，但会降低传感器灵敏度；减小线圈外径会提高传感器灵敏度，但传感器的量程相应减小。