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高温电涡流位移传感器分析与设计

作 者: 吕云腾
导 师: 祝长生
学 校: 浙江大学
专 业: 电机与电器
关键词: 电磁耦合仿真模型 恒频调幅电路 温控环境 温度补偿
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
下 载: 9次
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内容摘要


本文从分析电涡流位移检测技术入手,将设计的常温电涡流位移传感器进行了一系列的在硬件与信号处理方法上的改进,最终得到了能够工作在常温至500℃高温环境内的高温电涡流位移传感器。首先,介绍了课题的相关背景以及电涡流检测技术在国内外发展的现状,对抑制温漂的方法进行了汇总。此外,对于电感式位移传感器与电容式位移传感器进行了简单的总结。第二,针对探头线圈与被测材料间的电磁耦合系统,建立一个能够定量计算探头线圈输出阻抗的变压器模型。利用该计算模型,能够方便的得到在给定参数下的探头线圈输出阻抗值以及分析各个变量对于输出阻抗的影响。第三,分析并设计一款能够工作在常温环境中的电涡流位移传感器。采用恒频调幅电路作为信号处理电路的基本结构。通过在静态校准平台上测量其输出特性,优化传感器参数,最终达到比较理想的测量范围、灵敏度与线性度。第四,对将电涡流检测技术应用至高温环境中可能出现的问题以及需要做出的改进进行了分析并提出了初步的方案,为下面的具体设计工作做了准备。分析了依靠探头线圈的二维输出阻抗准确分离出位移与温度信息的可能性,为基于输出阻抗分析的电涡流检测技术应用于高温环境下的可行性提供了理论依据。第五,设计一款能够工作于常温至500℃高温环境中的电涡流位移传感器。通过对探头材料进行改进以及增加温度补偿环节,使得传感器能够适应高温环境并且抑制输出温漂。在温控高温环境下,对传感器的输出特性进行测量,验证了温度补偿方法的有效性。最后,简单介绍了基于交直流耦合的温漂抑制方案,并对该方法的优劣进行了说明。

全文目录


致谢  6-7
摘要  7-8
Abstract  8-9
目录  9-12
1. 绪论  12-28
  1.1 课题背景及意义  12
  1.2 常用位移传感器  12-16
    1.2.1 电感式位移传感器  12-14
    1.2.2 电容式位移传感器  14-16
  1.3 电涡流位移检测技术的发展及现状  16-17
  1.4 温漂补偿方法  17-26
  1.5 研究目标及内容  26
    1.5.1 研究目标  26
    1.5.2 研究内容  26
  1.6 本文结构  26-28
2. 探头线圈输出阻抗的计算变压器模型  28-40
  2.1 探头线圈与被测材料间的电磁耦合系统  28-29
  2.2 被测材料中电涡流分布规律  29-30
  2.3 探头线圈输出阻抗的多变压器计算模型  30-32
    2.3.1 改进变压器计算模型的区域划分  30-31
    2.3.2 电压方程组的建立与求解  31-32
  2.4 同轴圆线圈间自互感计算  32-34
    2.4.1 镜像电流等效法  32-33
    2.4.2 单一介质空间中同轴圆线圈自互感计算公式  33-34
  2.5 改进变压器计算模型参数的确定  34-35
  2.6 模型结果验证  35-37
  2.7 传感器测量阻抗影响因素分析举例  37-39
    2.7.1 被测材料磁导率对探头线圈输出电抗的影响  37-38
    2.7.2 探头线圈内、外径尺寸对传感器测量范围与输出灵敏度的影响  38-39
  2.8 本章小结  39-40
3. 常温电涡流位移传感器设计与实验  40-55
  3.1 电涡流位移传感器信号处理电路种类  40-45
  3.2 恒频调幅电路  45-47
    3.2.1 正弦信号发生电路  45-46
    3.2.2 LC振荡分压电路  46-47
  3.3 峰值检波电路  47-52
    3.3.1 整流电路  48-49
    3.3.2 滤波电路  49-50
    3.3.3 放大电路与缓冲级电路  50-52
  3.4 实验测量结果  52-54
  3.5 本章小结  54-55
4. 电涡流位移传感器应用于高温环境中的问题分析与解决方案  55-75
  4.1 温度变化对传感器硬件的影响  55-56
  4.2 温度变化对传感器输出特性的影响  56
  4.3 实验平台的要求  56-57
  4.4 探头线圈输出阻抗与环境参数间的一一映射关系  57-74
    4.4.1 数学模型与数学推导  57-68
    4.4.2 模型仿真与验证  68-74
  4.5 本章小结  74-75
5. 高温电涡流位移传感器设计与实验  75-95
  5.1 高温探头设计  75-80
    5.1.1 探头基底材料的选择  75-76
    5.1.2 高温探头绕线的选择  76-77
    5.1.3 传感器探头外壳  77-80
  5.2 实验平台的设计  80-85
    5.2.1 温控环境  81-82
    5.2.2 位移控制机构  82-85
  5.3 LC振荡电路温度影响分析  85-86
  5.4 无补偿测量结果  86-87
  5.5 补偿环节设置  87-89
  5.6 高温电涡流位移传感器输出特性测定  89-90
  5.7 方案不足之处总结  90-91
  5.8 交直流耦合方案  91-94
  5.9 本章总结  94-95
6. 总结与展望  95-97
  6.1 总结  95-96
  6.2 展望  96-97
参考文献  97-104
攻读硕士学位期间的主要研究成果  104

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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