摘要：針對采用扁平柔性電渦流傳感器陣列實現大面積金屬曲面部件位置實時監測，對電渦流傳感器的陣列測試技術進行了研究。采用一種基于時分多路的電渦流陣列測試的方法，通過對傳感器探頭和測試電路的合理設計，使系統電路得到簡化，減小陣列單元之間的串擾，提高傳感器系統的測試性能，實現了電渦流傳感器陣列的快速、高精度測量。 電渦流傳感器是一種基于電渦流效應的無損、非接觸式的傳感器，以其優良的測試性能，在機械量的測量以及金屬材料的無損檢測等領域得到廣泛應用。電渦流傳感器陣列測試技術的研究始于2O世紀80年代中期，在20世紀80年代末到90年代初，出現了一批電渦流陣列測試方面的文獻和專利。近十年來，隨著傳感器技術的發展以及加工工藝技術水平的提高，電渦流傳感器陣列測試的研究和應用得到極大的發展，不僅用來測量大面積金屬表面的位移，而且由于具有同時檢測多個方向缺陷的優點，被廣泛應用于金屬焊縫的檢測，飛行器金屬部件的疲勞、老化和腐蝕檢測，渦輪機、蒸氣發生器、熱交換器以及壓力容器管道等的無損檢測中。 采用陣列式傳感器，不需使用機械式探頭掃描即可實現大面積范圍的高速測量，且能夠達到與單個傳感器相同的測量精度和分辨率，有效地提高了傳感器系統的測試速度、測量精度和可靠性，此外，傳感器陣列的結構形式靈活多樣，可以非常方便地對復雜表面形狀的零件進行檢測，因此，陣列式傳感器的研究成為當前傳感器技術研究中的重要內容和發展方向。 本文基于一種扁平柔性電渦流傳感器陣列，對電渦流傳感器的陣列測試技術進行了研究，采用時分多路的陣列測試方法，實現大面積金屬表面的接近式測量。通過對傳感器探頭的線圈陣列及引線結構形式的合理設計，配合后續的處理電路及計算機控制，完成電渦流位移傳感器陣列的快速、高精度測量及大面積金屬曲面部件位置狀態的實時監測。 1、電渦流檢測的基本原理 電渦流檢測的工作原理是檢測激勵線圈磁場和感應渦流磁場之間的交互作用。當敏感線圈通入交流電流時，線圈周圍就會產生交變磁場，如圖1（a），如果此時將金屬導體耙材移入此交變磁場中，耙材表面就會感應出電渦流，而此電渦流又會產生一個磁場，該磁場的方向與原線圈磁場的方向正好相反，而減弱了原磁場。 [align=center][img=500,172]http://www.e-works.net.cn/images/128007859267656250.GIF[/img] 圖1 電渦流檢測的原理[/align] 式中：σ，μ分別是被測金屬導體的電導率和磁導率；f是激勵信號的頻率；x是線圈與金屬導體的距離；r是線圈的尺寸因子，與線圈的結構、形狀以及尺寸相關。 可見，線圈阻抗的變化完整而且唯一地反映了被測金屬導體的電渦流效應。實際檢測時，對不需要的影響因素加以控制，就可以實現對上式中某個相關量的檢測。作為接近式傳感器，線圈到金屬耙材之間的距離與線圈的阻抗直接相關，而檢測金屬表面或近表面的缺陷時，缺陷的存在將引起被測導體電導率和磁導率的變化，進而使線圈的阻抗參數發生改變。 另一種方法是雙線圈檢測，如圖1（b），通過使用另外一個線圈作為檢測線圈，檢測這兩個磁場的疊加效果。根據法拉第電磁感應定律，檢測線圈中將會產生一個感應電動勢： [img=101,36]http://www.e-works.net.cn/images/128007859771406250.gif[/img] 式中：ψ是通過線圈的交變磁場的磁通量；n是線圈的繞線圈數。 通過測量檢測線圈中產生的電壓即可非常容易地得到磁場的變化情況。 2、電渦流陣列測試技術 2.1 電渦流陣列的形式 與其它一些傳感器相比，電渦流傳感器具有一個比較突出的優點——探頭的結構非常簡單。從電渦流檢測的基本原理可以看出，電渦流傳感器探頭的關鍵部件是敏感線圈，因此電渦流陣列測試一般都是采用線圈陣列的方法，而不是將多個獨立的傳感器探頭布置成陣列形式來使用。針對不同的測試條件和技術指標要求，線圈陣列可以設計成不同的結構和形式，以實現復雜形面部件的檢測，但線圈陣列及其匹配電路的針對性設計也帶來了相對昂貴的成本。 雖然電渦流線圈陣列結構形式的設計靈活多變，但仍然可以根據其檢測方式的不同，大體歸為兩種典型的陣列類型。① 基于單線圈檢測的電渦流陣列，如圖2（a）所示，一般是直接在基底材料上制作多個敏感線圈，布置成矩陣形式的陣列，而且為了消除線圈之間的干擾，相鄰線圈之間要保留足夠的空間。這種電渦流陣列大多用于大面積金屬表面的接近式測量，檢測部件的位置、表面形貌、涂層厚度以及回轉體零件的內外徑等，也可以用來檢測裂紋等表面缺陷。② 基于雙線圈方式的電渦流陣列檢測，一般設計為一個大的激勵線圈加眾多小的檢測線圈陣列的形式，如圖2（b），它能夠非常有效地實現大面積金屬表面上多個方向的缺陷的檢測，在無損檢測的應用上具有較大的優勢，已基本取代單線圈檢測的應用。除此以外，近年還出現了一種基于電渦流效應的環繞線圈磁力計陣列L1 ，它實際上是一種基于雙線圈檢測的陣列類型，通過對激勵線圈和檢測線圈陣列結構的特殊設計，以取得較好的測試性能。 [align=center][img=490,175]http://www.e-works.net.cn/images/128007859976093750.GIF[/img] 圖2 電渦流陣列形式[/align] 電渦流傳感器響應速度快的特點使其能夠很好地采用電子掃描測試的方法，通過控制模擬開關，逐個掃描全部的陣列單元，實現傳感器陣列中所有敏感單元的檢測。采用掃描采樣的方法，能夠大大簡化傳感器的后續電路，降低系統的成本，而且有利于傳感器系統的小型化，但是由于模擬開關的引入，也導致傳感器的測試精度有所下降。 電渦流傳感器陣列測試的關鍵還在于線圈陣列的引線設計，圖3是幾種常用的基于單線圈檢測原理的引線設計模式。圖3（a）是敏感線圈兩端分別引線的設計模式，圖3（b）是行列垂直掃描式的引線設計。采用行列垂直結構形式的目的是為了減少傳感器陣列的外接引線數目，這對于傳感器的實際應用具有重要意義，但同時又不可避免地帶來了各陣列單元間的串擾，降低了測量精度。解決串擾的問題，最簡單的方法就是每個陣列單元單獨引線（圖3（a）），另外也可以將預處理電路與敏感單元集成，做成一體化的集成傳感器單元，而其代價將是高昂的制作成本。有時為了提高掃描采樣的速度，還會采用一種行掃描采樣的方法，即每次掃描一行，從而大大提高傳感器陣列的測試速度，但需要增加預處理電路的數量。 [align=center][img=500,164]http://www.e-works.net.cn/images/128007860256093750.GIF[/img] 圖3 電渦流陣列測試方法[/align][align=left] 本文電渦流傳感器陣列是用來實現金屬表面的接近式測量，故而采用單線圈檢測的陣列形式。其測試方法是在上述兩種設計方案的基礎上加以折中，將所有線圈的一端作為公共端并接地，另一端分別引出與模擬開關連接，如圖3（c）所示。相對于行列垂直引線，這種設計方法雖然引線數目較多，但卻能大大減小線圈之間的串擾，提高測量精度，對于陣列數較少的測試系統，優勢尤為明顯。而且采用這種引線方式，模擬開關便可選用一對多的多路復用器，能夠有效地簡化控制電路，使后續的處理電路進一步小型化。 3、系統實現與試驗 3.1 電渦流陣列的設計和制作 根據上述的測試方法，設計并制作了一種扁平的柔性電渦流傳感器陣列，如圖4，是傳感器探頭的結構簡圖。傳感器的探頭由敏感線圈陣列及線圈引線所形成的一條引線電纜組成。在一般的使用情況下，探頭的線圈陣列多設計為與圖2（a）類似的平面矩形結構（圖4（a）），這里為了更加方便、可靠地實現對復雜形狀形面的檢測，線圈陣列被設計為一種條形分叉式結構（圖4（b）），而且根據被測表面形狀的不同，線圈陣列的形狀還可以有所不同。圖4（b）中線圈陣列設計為兩條平行的條形結構，以實現金屬管道的檢測，如果被測曲面為一般平滑曲面，還可以考慮設計成垂直條形結構或者6條分叉式結構。線圈陣列中各敏感線圈的引線設計為一條細長的扁平引線電纜，這在大面積曲面間小位移測量的應用中非常重要。引線電纜直接通過插頭與處理電路連接，由計算機控制實現傳感器陣列的循環掃描測試。[/align][align=center][img=443,179]http://www.e-works.net.cn/images/128007860556562500.GIF[/img] 圖4 電禍沉陣歹U的設計[/align] 3.2 測試系統與試驗 測試系統的工作原理如圖5所示，通過計算機控制多路復用器，循環掃描采樣所有的陣列單元。傳感器的變換電路采用調頻式振蕩電路，電路輸出的頻率信號由計算機內置的頻率數據采集卡來采集，然后將采集到的數據送入計算機進行處理，得到所需的被測曲面的位置。 [align=center][img=243,150]http://www.e-works.net.cn/images/128007860806562500.GIF[/img] 圖5 傳感器系統原理圖[/align][align=center][img=258,192]http://www.e-works.net.cn/images/128007861096406250.GIF[/img] 圖6 電渦流陣列的性能實驗[/align] 4、結論 電渦流傳感器陣列具有比傳統電渦流傳感器更加優越的測試性能和廣闊的應用前景。本文設計了一種扁平柔性電渦流傳感器陣列，以實現大面積金屬曲面部件位置的實時監測。通過對電渦流陣列測試技術的研究，采用分時復用的掃描檢測方法和信號傳輸方法，將傳感器線圈陣列中所有線圈的一端設計為公共接地端，另一端分別接入多路復用器，只用一套信號變換電路和信號調理電路即完成傳感器陣列中全部敏感線圈的采樣，不僅簡化了系統電路，而且減小了各陣列單元間的干擾，提高了傳感器系統的性能，實現了電渦流傳感器陣列的快速、高精度測量。試驗結果表明，在2 mm 的測量范圍內，傳感器陣列的測試精度達到±O.25，且具有較高的靈敏度，滿足了大面積金屬曲面部件位置實時監測的應用要求。