渦流電導率測量傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及渦流電導率測量傳感器。電渦流電導率測量傳感器，包括：探頭和信號處理電路，二者通過連接電纜(3)連接；所述探頭包括：測量線圈(1a)，補償線圈(1b)，手持隔熱殼體，電磁屏蔽層，微動開關，壓簧，溫度傳感器；所述信號處理電路包括：正弦激勵單元，平衡濾波單元，前置放大單元，峰值保持單元，相敏檢波單元，數字相位旋轉單元，ARM單元。本發明所述的電渦流電導率測量傳感器在0～50℃的范圍內測量結果不受溫度的影響，對提離效應有很好的抑制。
【專利說明】渦流電導率測量傳感器
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種有色金屬電導率測量技術，進一步涉及渦流電導率測量傳感器。
【背景技術】：
[0002] 近年來，隨著工業和電子產業的迅速發展，有色金屬材料對于工業的發展十分重 要。電導率是金屬材料的一項重要物理參數，它與金屬的組成成分、熱處理狀態、硬度以及 溫度等都密切相關。1873年，Maxwell總結出了電磁學方程組，以此方程組為理論基礎，20 世紀60年代，德國科學家用電渦流的方法成功測定了有色金屬電導率。電渦流法與其他方 法相比具有靈敏度高，容易耦合，響應快等優點。
[0003] 目前，大多數渦流電導率測量使用單頻正弦交流信號作為激勵信號。單頻阻抗測 量法具有成本低，設計相對簡單，探頭靈敏度高等優點，但在采用阻抗法特別是單獨使用幅 值信息會使得測量儀器的信噪比難以被提高，而且提離效應、邊緣效應也對測量結果有很 大的影響。而傳感器作為渦流電導率測量的關鍵組成部份，它的良好的設計是解決以上問 題的根本途徑，是從事渦流檢測人員關心和研究的主要問題之一。在實際應用中，測量工業 中使用較多的鋁基材料和銅基材料時分辨率較低，容易造成誤差。
[0004] 因此，需要一種輸出穩定、快捷、在一定范圍內受提離效應影響小，分辨率高的傳 感器。
【發明內容】
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[0005] 本發明的目的在于解決現有渦流電導率測量傳感器分辨率低、受提離影響大的問 題，提出一種高分辨率，具有溫度補償功能，且能在一定范圍內能有效抑制提離效應的有色 金屬電導率測量傳感器。
[0006] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0007] 渦流電導率測量傳感器，包括：測量探頭1和信號處理電路；
[0008] 所述測量探頭包括：測量線圈la，補償線圈lb，測量線圈與補償線圈參數完全相 同，測量線圈和補償線圈之間采用差分的方式連接，采用交流電橋結構輸出；手持隔熱殼 體、電磁屏蔽層、微動開關、壓簧、檢測電路、溫度傳感器和連接電纜；測量線圈安置在手持 隔熱殼體的一端且測量面露出；壓簧位于第一凸起11和第二凸起12之間；
[0009] 所述信號處理電路包括：正弦激勵單元，平衡濾波單元，前置放大單元，峰值保持 單元，相敏檢波單元，數字相位旋轉單元，ARM單元。
[0010] 作為優選方案之一，所述測量線圈和補償線圈由漆包線繞制而成，外徑為8mm，兩 線圈之間距離為2mm。 toon] 作為優選方案之二，所述電磁屏蔽層安放于手持隔熱殼體內部，與手持隔熱殼體 連為一體。
[0012] 作為優選方案之三，所述溫度傳感器位于測量探頭外表面，在不受到操作員手臂 溫度影響的條件下及時得到測量時測量探頭周圍的溫度，實時傳入ARM單元中，對測量試 件的電導率進行修正。
[0013] 作為優選方案之四，所述微動開關置于補償線圈之后，固定在殼體上。
[0014] 作為優選方案之五，所述交流電橋包括兩等值的電阻、兩等值的電容。
[0015] 作為優選方案之六，還包括：與上位機的信號輸出接口，鍵盤接口。
[0016] 工作過程包括如下步驟：
[0017] 步驟一：傳感器產生特定頻率的正弦激勵信號；
[0018] 步驟二：測量線圈接觸需檢測試件，試件受到激勵信號的作用產生渦流，渦流反 作用于測量線圈，使得測量線圈阻抗發生變化，再通過交流電橋得到含有特定信息的電信 號；
[0019] 步驟三：分析交流電橋輸出的電信號得到有色金屬的電導率。
[0020] 本發明相對于現有技術的優點在于：
[0021] (一）采用電渦流檢測原理，傳感器體積較小，測量速度快，精度高。
[0022] (二）利用了交流電橋輸出具有線性的特點，在出廠時進行一次硬件校準后，大大 簡化的用戶的操作，而且傳感器的靈敏度和測量精度一直保持較高的水平。
[0023] (三）傳感器的測量探頭部分設置有壓簧、微動開關和電磁屏蔽層，每次測量中當 微動開關按下時才會進行測量，一定程度上保證了測量探頭的測量精度，減少了因操作人 員的誤操作而造成的測量錯誤。
[0024] (四）測量探頭部分中還安裝有溫度傳感器，及時采集被測試件周圍溫度，再進行 相應的溫度補償，消除溫度對于電導率測量的影響。
[0025] (五）在推薦的實施例中，通過信號輸出接口，可以實現與上位機的通信，實現在 線測量。整個裝置結構簡單、體積較小。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0026] 圖1是本發明的測量線圈和補償線圈結構示意圖。圖中，la代表測量線圈，lb代 表補償線圈。
[0027] 圖2是圖1的俯視圖。
[0028] 圖3是本發明實施例傳感器所采用交流電橋結構示意圖。
[0029] 圖4是本發明測量探頭結構的剖面示意圖。圖中，1代表測量線圈和補償線圈，2 代表殼體，2a代表壓簧，2b代表微動開關，2c代表溫度傳感器，2d代表手持隔熱層，3代表連 接電纜，11代表第一凸起，12代表第二凸起。
[0030] 圖5是本發明實施例傳感器電信號結構示意圖。
[0031] 圖6為本發明傳感器抑制提離效應所采用的阻抗變換法原理圖。
【具體實施方式】：
[0032] 本發明傳感器結構框圖如圖1-圖5所示，傳感器包括：
[0033] 測量探頭1和信號處理電路，二者通過連接電纜3連接；
[0034] 所述測量探頭包括：測量線圈la，補償線圈lb，測量線圈與補償線圈參數完全相 同，測量線圈和補償線圈之間采用差分的方式連接，采用交流電橋結構輸出；手持隔熱殼 體、電磁屏蔽層、微動開關、壓簧、檢測電路、溫度傳感器和連接電纜；
[0035] 測量線圈安置在手持隔熱殼體的一端且測量面露出；壓簧位于第一凸起11和第 二凸起12之間；
[0036] 所述信號處理電路包括：正弦激勵單元，平衡濾波單元，前置放大單元，峰值保持 單元，相敏檢波單元，數字相位旋轉單元，ARM單元，信號輸出接口，鍵盤接口。
[0037] 所述測量線圈和補償線圈由漆包線繞制而成，外徑為8mm，兩線圈之間距離為 2mm ;所述電磁屏蔽層安放于手持隔熱殼體內部，與手持隔熱殼體連為一體；所述溫度傳感 器位于測量探頭外表面，在不受到操作員手臂溫度影響的條件下及時得到測量時測量探頭 周圍的溫度，實時傳入ARM單元中，對測量試件的電導率進行修正；所述微動開關置于補償 線圈之后，固定在殼體上；所述交流電橋包括兩等值的電阻、兩等值的電容。
[0038] 由正弦激勵單元產生特定頻率的交流激勵信號，激勵信號輸入測量探頭中。
[0039] 壓簧位于第一凸起和第二凸起之間，每次只有在微動開關按下時才會進行測量， 一定程度上保證了測量探頭的測量精度，減少了因操作人員的誤操作而造成的測量錯誤。
[0040] 交流測量電橋結構如圖3所示，電容的加入可有效提高交流電橋的輸出靈敏度。 正弦交流激勵信號由VI進入電橋，V2接地，信號由V3和V4進入前置差動運算放大器中。
[0041] 測量時測量線圈上加載正弦交變信號，作用于被測試件使其產生渦流，產生的渦 流反作用于測量線圈，使得測量線圈阻抗發生變化。阻抗中所包含的復數信息包含有被測 試件的電導率信息且一一對應，測量線圈阻抗的變化通過交流電橋轉換為電信號輸出。
[0042] 通過信號處理電路中的峰值保持單元和相敏檢波單元得到信號的幅值信息和相 位信息。利用阻抗變換的方法實現對于提離干擾信號的抑制，原理如圖6所示，渦流電導率 測量傳感器隨提離距離的增加在歸一化阻抗平面上以近似直線的方式向空載線圈的阻抗 點（〇，1)變化。根據阻抗分析的原理，選取測量阻抗在提離直線垂直方向的分量，可以在一 定范圍內有效的抑制提離效應。圖6中A為沒有提離時測量線圈的歸一化阻抗點，B為有 一定提離后的測量線圈的歸一化阻抗點。由于隨提離距離的增加近似以直線方式移動，所 以在一定范圍內不論測量時提離距離為多大，其測得的測量線圈的歸一化阻抗點都位于 AP的近似直線上（如C)。從點0作AP的平行線0P'，然后分別從A、B、C點作0P'的垂線， 得到的0A、0B、0C各不相等，但AA' = BB' = CC'。由上式可知，由于受到提離效應的影響， 實際測量時測量線圈的阻抗值0A發生了變化，但通過適當的相位轉換，提取信號AA'（或 BB'、CC'）可以反映0A(或0B、0C)信號的大小。所以通過測得測量線圈阻抗變化的幅值和 相位，計算得到阻抗在提離直線在垂直方向上的分量，便可實現對于提離效應的抑制。經過 ARM單元處理后的幅值和相位信息再進行溫度修正，之后由信號輸出接口傳入上位機。 [0043] 傳感器應用電渦流法對有色金屬的電導率進行測量，檢測結果不受溫度的影響， 對提離效應有一定的抑制作用。且傳感器具有較強的抗干擾能力，靈敏度高，適用于有色金 屬材料電導率、電阻率值測量、未知有色金屬進行識別和分類、生產期間熱處理的驗證和檢 測使用時的熱損壞等領域。
【權利要求】
1. 渦流電導率測量傳感器，其特征在于，包括：測量探頭和信號處理電路，二者通過連 接電纜（3)連接； 所述測量探頭包括：測量線圈（la);補償線圈（lb);測量線圈與補償線圈參數完全相 同，測量線圈和補償線圈之間采用差分的方式連接，采用交流電橋結構輸出；手持隔熱殼 體；電磁屏蔽層；微動開關；壓簧；溫度傳感器和連接電纜； 測量線圈安置在手持隔熱殼體的一端且測量面露出； 壓簧位于第一凸起（11)和第二凸起（12)之間； 所述信號處理電路包括：正弦激勵單元，平衡濾波單元，前置放大單元，峰值保持單元， 相敏檢波單元，數字相位旋轉單元，ARM單元。
2. 根據權利要求1所述渦流電導率測量傳感器，其特征在于：所述測量線圈和補償線 圈由漆包線繞制而成，外徑為8_，兩線圈之間距離為2_。
3. 根據權利要求1所述渦流電導率測量傳感器，其特征在于：所述電磁屏蔽層安放于 手持隔熱殼體內部，與手持隔熱殼體連為一體。
4. 根據權利要求1所述渦流電導率測量傳感器，其特征在于：所述溫度傳感器位于測 量探頭外表面，在不受到操作員手臂溫度影響的條件下及時得到測量時測量探頭周圍的溫 度，實時傳入ARM單元中，對測量試件的電導率進行修正。
5. 根據權利要求1所述渦流電導率測量傳感器，其特征在于：所述微動開關置于補償 線圈之后，固定在殼體上。
6. 根據權利要求1所述渦流電導率測量傳感器，其特征在于，所述交流電橋包括兩等 值的電阻、兩等值的電容。
7. 根據權利要求1所述渦流電導率測量傳感器，其特征在于，還包括：與上位機的信號 輸出接口，鍵盤接口。
【文檔編號】G01R27/02GK104142431SQ201410364728
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】趙友全, 何峰, 劉瀟, 江磊, 翟瑞偉, 徐巧艷 申請人:天津大學