电涡流速度传感器小型化研究*

郑良广， 罗茹丹， 刘莉娜， 吕 阳

(1.中国中车传感测量技术研发中心，浙江 宁波 315000； 2.宁波中车时代传感技术有限公司，浙江 宁波 315000；3.湖南汽车工程职业学院 车辆工程学院，湖南 株洲 412000)

0 引 言

非接触测量是测量技术发展的一个非常重要的方向。非接触式传感器由于与被测目标之间不存在物理上的连接，具有测量过程无摩擦、无损耗，寿命长、可靠性高、测量精确等优点，获得了越来越广泛的应用。特别是对高速运动的测量，非接触传感器几乎是唯一的选择。

非接触式传感器中，电涡流传感器因涡流效应测量原理而适合应用于比较恶劣的环境[1～3]，也是激光、电容式传感器难以做到的。但是电涡流传感器测量主要依附于探头的敏感线圈，敏感线圈尺寸决定了传感器的量程、灵敏度等参数，大量程需要对应大尺寸的敏感线圈[4]。在线圈中增加铁芯,铁芯因高磁导率而减弱原激励线圈所产生的磁场能量，进而增大量程，在量程一定的情况下，达到减小传感器线圈尺寸的目的[5]。文献[6]分析指出倒梯形线圈的磁力线分布范围较小，磁场能量不易损失掉，因此与增加铁芯原理一致，一定程度上可以减小传感器的尺寸。文献[7]对传感器结构进行改进，将原来的单线圈结构改为双线圈结构，其中一个线圈负责输入激励信号，产生交变磁场，新加入的线圈用于信号输出。省去了传统电涡流传感器的信号转换电路，从而简化传感器，达到小型化的目的。

对于电涡流速度传感器而言，不仅需要计量速度，还需要对转向做出判断，一般会设计两个探头或者放置两个传感器对目标进行检测[8]，这就更加增大了传感器的体积，在一些安装空间受限的地方，增加安装难度，所以对可判别转向的单探头电涡流速度传感器，小型化的研究是有一定意义的。

本文以电涡流速度传感器为研究对象，从敏感线圈结构的角度出发，对可判别转向的单探头电涡流速度传感器进行研究，通过对线圈结构进行设计，以达到传感器小型化的目的，并利用有限元仿真软件验证设计效果。

1 电涡流速度传感器测量原理

电涡流速度传感器是一种利用电涡流式感应原理对齿轮速度进行检测的传感器，如图1(a)所示，通过在探头线圈中施加高频激励电流，周围空间会产生高频磁场，处在磁场中的金属导体表面会感应出涡流，感应的涡流与原激励电流方向相反，因而生成反向的磁场，对原磁场而言起抵消作用，最终表现为等效阻抗的变化，且在导体材料、传感器尺寸等参数确定的情况下与探头线圈到导体的距离一一对应。如图1(b)所示，将电涡流速度传感器安装于某处使其保持与齿轮距离不变，当齿轮转动时，齿与槽交替通过传感器，由于传感器等效阻抗与到金属的距离一一对应，通过放大整形、鉴频等环节，最终传感器输出一定频率的近周期方波信号，该频率即表现出齿轮的旋转速度。

图1 电涡流速度传感器测量原理示意

2 电涡流速度传感器探头线圈简化计算模型

根据电涡流速度传感器的测量原理，如图2所示，可以将齿轮的感应面简化成平面进行计算，且传感器探头感应面与其平行，通过改变两者间的间隙距离，模拟齿轮转动，传感器交替通过齿和槽的情况。

图2 电涡流速度传感器简化模型示意

图2中等效齿或槽的简化模型可以利用阻抗矩阵法进行计算分析。根据电涡流的测量原理，当传感器与测量导体各项参数确定时，传感器输出与其等效阻抗值一一对应，建立阻抗矩阵对等效阻抗进行求解可以表现传感器的输出情况。如图3所示，将电涡流传感器的整个探头线圈分解为以单个圆环线圈为元素的集合，将被测材料中电涡流分布区域同时沿轴向与径向分解为以单元涡流回路为元素的集合，通过计算所有单元线圈、单元涡流间的自互感，建立并求解包括所有单元线圈回路与单元涡流回路间的电压方程组，最终得到探头线圈输出阻抗的计算数值[9]。

图3 等效多变压器模型

图3中的符号h，r，w，c，a分别表示探头线圈与被测导体的尺寸，p，q，k，s分别表示划分探头线圈与被测导体单元的方向，d为两者之间的距离，(pt,qt)和(kv,sv)分别表示探头线圈和被测材料的一个划分单元，R，L，M分别表示电阻、电感和互感。

3 双线圈单探头结构设计

电涡流速度传感器主要由前端感应线圈和采集调理电路组成，在安装空间上，主要受制于前端的感应线圈大小，要将传感器小型化首先要考虑小型化前端敏感线圈，而电涡流速度传感器因同时具备检速和判向的功能，至少需要两个敏感线圈。当双线圈的传感器探头的尺寸一定时，线圈绕制与排布有如图4所示四种情况。

图4 四种方案示意

利用有限元仿真软件对上述情况建立仿真模型，设计传感器探头线圈直径小于14 mm，齿轮齿数为72，模数为2；齿轮材料为铁，转速为100 r/min,保持传感器与齿轮正对距离0.8 mm。仿真的线圈及尺寸如表1所示。其中方案3，方案4中线圈匝数不均匀的情况，最密和最疏的匝数密度呈2倍关系。

表1 不同双线圈结构仿真尺寸参数

齿轮按顺时针方向转动，设置仿真时间为5 ms，仿真步长为0.01 ms，对线圈的等效电感值进行仿真计算，得到结果如图5、表2所示。

图5 仿真结果

表2 仿真计算结果

仿真结果显示，在占用相同空间的情况下，方案4的两个线圈相位差最大，其次是方案3，说明线圈匝数密度分布不均匀对相位差影响明显。比较4种情况的等效电感量，方案1最小，方案3最大，主要因为在占用相同空间的情况下，方案1因为线圈并排放置，单线圈的外径最小，而方案3因为线圈同轴，单线圈的外径最大，等效电感量受线圈外径影响明显,验证前文理论计算值。

从工艺和成本的角度考虑，线圈匝数密度不均匀且两个线圈非同轴等设计在绕线工艺上存在一定的难度，利用PCB工艺设计线圈，可方便对线圈的设计，同时大大降低了传感器的成本。

4 双线圈叠放垂向间距的影响

从仿真计算结果分析，双线圈叠放输出效果要比并排放置好，这样引入了线圈间垂向距离的变量，以方案4为分析模型，通过设置不同的线圈间垂向距离，仿真等效电感量的情况，仿真结果如表3所示。

表3显示，随着线圈间垂向距离的增大，线圈一等效电感值基本不受影响，而线圈二由于与齿轮距离的增大，等效电感量明显变小，灵敏度降低，且对齿槽的敏感度降低。输出相位差随线圈间垂向距离的增大而减小，但变化不明显。线圈间垂向距离过小，线圈受互感影响比较大，且制作工艺难度会增大，综合考虑线圈灵敏度以及传感器尺寸，选取线圈间垂向距离为单线圈厚度大小较为合适。

表3 线圈垂向间距影响的仿真结果

此外，单螺旋结构的探头线圈受温度影响是比较大的，一般都需要后端进行温度补偿操作[10]，但当探头结构为双线圈时，由于两个线圈封装在一个探头中，处于相同的温度环境，利用差分的测量方法可以弥补单螺旋线圈结构温度漂移大的问题，同时因为避免了后端的温度补偿手段，在一定程度上也减小了传感器的体积，提高了传感器输出的稳定性。

如图6所示，两个线圈通过设置不同的放大倍数，差分后检测会因相位的超前或滞后呈现不同的输出，可以以此对方向做出判断。

图6 双线圈差值法判断方向示意

5 结 论

电涡流速度传感器需要同时做到检速和辩向，通常情况下需要双探头或者双传感器，这在一些安装空间狭小的地方比较受限。本文从探头线圈结构出发，分析讨论不同结构尺寸参数对测量结果的影响，得到如下结论：1)在探头尺寸一定的情况下，双线圈叠放方式传感器输出特性好。2)在线圈尺寸一定的情况下，线圈匝数密度分布不均匀对相位差提升效果明显。3)单探头双线圈结构通过差分检测方式可以有效解决单螺旋线圈温漂大的问题。