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摘要：电涡流传感器是基于电涡流效应的新型传感器。它具有非接触、测量精度高、响应速度快等优点，因而已得到广泛应用。但由于当前所用的电涡流传感器线性程度不够高，线性范围小，性能不够稳定，因此需要研制性能稳定，较高线性的电涡流传感器，并采用有限元仿真研究探头的参数，从而对输出信号进行测试标定，得到输出电压-位移关系曲线，再对该曲线进行拟合分析，确定其线性范围，最终实现无损检测的功能。
关键词：电涡流传感器；有限元仿真；线性度
一、引言
电涡流传感器现在广泛应用于对检测行业中。这种技术在国外发达国家中已充分应用于现场，而国内还处于研究认识阶段，因此需要更加深入的研究。为了实现更加精确的检测，要求所用到的电涡流传感器具有较大的线性范围，较强的抗干扰能力，所以需要对电涡流传感器进行测试标定，得到输出曲线，经拟合后确定较大的线性范围，从而保证所制作的传感器性能优异。
电涡流传感器系统广泛应用于电力、化工、冶金等行业。它对汽轮机、水轮机等大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。它在日新月异的生活中仍扮演着不可或缺的角色，所以，针对电涡流传感器的研制及测试标定是非常必要的。
本课题的研究意义在于通过此次课题的研究，制作出性能稳定可靠，线性程度较好的电涡流传感器，大致确定在何种参数条件下电涡流传感器可以达到较高的灵敏度，并且通过对电涡流传感器的输出参數测试标定，确保设计合理，具有一定的社会经济效益。
二、有限元仿真研究探头
1.设计方法
利用ANSYS有限元法建模，在设计传感器时，为了使一定大小外径的传感器有尽可能高的灵敏度，则要求线圈的厚度尽可能薄，对于要求线性度高的传感器，其外径越大越好，但并不是线圈的外径越大，线性度越高。当外径达到一定程度时，线性度不再增加，同时，灵敏度随着外径的增大而降低。采用有限元方法，利用 ANSYS语言对电涡流传感器进行建模仿真，能方便直观地分析通电线圈与被测导体之间的磁场分布，避免了繁琐的理论公式计算及其推导。
三、电涡流传感器测试标定
1.电涡流传感器特性与被测体尺寸的关系
一般定义电涡流强度减小到表面强度37%时的渗透深度为标准渗透厚度，用δ表示。由于被测金属导体在3倍标准渗透厚度3δ处的电涡流强度为表面处电涡流强度的5%，因此认为超过3δ厚度的金属导体，电涡流传感器不能穿透。在这种情况下，被测金属导体背面的电涡流强度很微弱，不会对位移测量精度产生太大的影响。对于以电涡流传感器和金属被测体以空气为隔离介质的情况，渗透厚度的表达式为
2.标定实验平台设计
在用电涡流传感器测量位移前，必须对电涡流传感器进行标定。在标定实验中，采用 Keyence公司的激光位移传感器作为标准位移传感器，其测量精度为0.01μm，采样频率为50kHz；被标定的电涡流传感器由Telemecanique公司制造，是一种性能稳定可靠的商用电涡流传感器。测试平台如图1所示。激光唯一传感器和电涡流传感器被固定在可移动台架的悬臂梁上，两者随该悬臂梁同时上下运动。当可移动台架的悬臂梁移动时，激光位移传感器和电涡流传感器与被测金属导体间的相对距离的改变量相等。激光位移传感器和电涡流传感器输出的信号经信号处理模块转化为电压信号，然后电压信号由 NI测试系统进行采集，采集到的信号最终传给上位机进行显示和分析。
实验结果与分析
选择非磁性金属导体材料的铝、不锈钢以及磁性金属导体材料45号钢来进行测试，以确定不同金属导体材料对电涡流传感器测量位移的影响。该实验过程中，存在一个固定距离为2.6mm 的标定零位参考位置，3种金属导体材料的外形尺寸均为 90mm×35mm×14mm。实验过程中，采用多组重复测量的方式。每种材料重复测试 10组，每组测量时以标定零位为参考位置，上下各取19个测量点，每个测量点间隔位移为0.01mm，从0.19mm 开始一直到 -0.19mm，分别对应序号为19到 -19，共计39个测量点。
结论
通过之前的实验证明：
1.当被测金属导体的厚度超过该材料渗透厚度的3倍时，电涡流式位移传感器的测量结果与被测金属厚度无关，高电导率、高磁导率的金属材料有利于减小电涡流渗透对于测量的影响。
2.被测金属导体的材料对电涡流式位移传感器的灵敏度具有影响，高电阻率、低磁导率的被测金属导体其电涡流应用测量结果的灵敏度更高一些。
3.在选用电涡流传感器被测金属导体时，要综合考虑在满足设计要求的外形尺寸同时，满足较高的传感器应用灵敏度。
参考文献：
[1]上海科学技术大学.精密测试技术【M】.上海：人民铁道出版社，1979.
[2]毛英泰.误差理论与精度分析【M】.北京：国防工业出版社，1982.
[3]丛华，邱绵浩，刘维平.电涡流传感器计算机辅助分析与设计【J】.华北工学院测试技术学报，2000，14（专刊）：394—400.
[4]汪云.基于霍尔传感器的转速检测装置【J】.传感器技术，2003，22（10）：46
[5]王化祥，张淑英.传感器原理机应用【M】.天津：天津大学出版社，2007.
[6]于亚婷.与被测材料无关的电涡流传感器基础理论与实现方法研究【D】.成都：电子科技大学，2007.
关键词：电涡流传感器；有限元仿真；线性度
一、引言
电涡流传感器现在广泛应用于对检测行业中。这种技术在国外发达国家中已充分应用于现场，而国内还处于研究认识阶段，因此需要更加深入的研究。为了实现更加精确的检测，要求所用到的电涡流传感器具有较大的线性范围，较强的抗干扰能力，所以需要对电涡流传感器进行测试标定，得到输出曲线，经拟合后确定较大的线性范围，从而保证所制作的传感器性能优异。
电涡流传感器系统广泛应用于电力、化工、冶金等行业。它对汽轮机、水轮机等大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。它在日新月异的生活中仍扮演着不可或缺的角色，所以，针对电涡流传感器的研制及测试标定是非常必要的。
本课题的研究意义在于通过此次课题的研究，制作出性能稳定可靠，线性程度较好的电涡流传感器，大致确定在何种参数条件下电涡流传感器可以达到较高的灵敏度，并且通过对电涡流传感器的输出参數测试标定，确保设计合理，具有一定的社会经济效益。
二、有限元仿真研究探头
1.设计方法
利用ANSYS有限元法建模，在设计传感器时，为了使一定大小外径的传感器有尽可能高的灵敏度，则要求线圈的厚度尽可能薄，对于要求线性度高的传感器，其外径越大越好，但并不是线圈的外径越大，线性度越高。当外径达到一定程度时，线性度不再增加，同时，灵敏度随着外径的增大而降低。采用有限元方法，利用 ANSYS语言对电涡流传感器进行建模仿真，能方便直观地分析通电线圈与被测导体之间的磁场分布，避免了繁琐的理论公式计算及其推导。
三、电涡流传感器测试标定
1.电涡流传感器特性与被测体尺寸的关系
一般定义电涡流强度减小到表面强度37%时的渗透深度为标准渗透厚度，用δ表示。由于被测金属导体在3倍标准渗透厚度3δ处的电涡流强度为表面处电涡流强度的5%，因此认为超过3δ厚度的金属导体，电涡流传感器不能穿透。在这种情况下，被测金属导体背面的电涡流强度很微弱，不会对位移测量精度产生太大的影响。对于以电涡流传感器和金属被测体以空气为隔离介质的情况，渗透厚度的表达式为
2.标定实验平台设计
在用电涡流传感器测量位移前，必须对电涡流传感器进行标定。在标定实验中，采用 Keyence公司的激光位移传感器作为标准位移传感器，其测量精度为0.01μm，采样频率为50kHz；被标定的电涡流传感器由Telemecanique公司制造，是一种性能稳定可靠的商用电涡流传感器。测试平台如图1所示。激光唯一传感器和电涡流传感器被固定在可移动台架的悬臂梁上，两者随该悬臂梁同时上下运动。当可移动台架的悬臂梁移动时，激光位移传感器和电涡流传感器与被测金属导体间的相对距离的改变量相等。激光位移传感器和电涡流传感器输出的信号经信号处理模块转化为电压信号，然后电压信号由 NI测试系统进行采集，采集到的信号最终传给上位机进行显示和分析。
实验结果与分析
选择非磁性金属导体材料的铝、不锈钢以及磁性金属导体材料45号钢来进行测试，以确定不同金属导体材料对电涡流传感器测量位移的影响。该实验过程中，存在一个固定距离为2.6mm 的标定零位参考位置，3种金属导体材料的外形尺寸均为 90mm×35mm×14mm。实验过程中，采用多组重复测量的方式。每种材料重复测试 10组，每组测量时以标定零位为参考位置，上下各取19个测量点，每个测量点间隔位移为0.01mm，从0.19mm 开始一直到 -0.19mm，分别对应序号为19到 -19，共计39个测量点。
结论
通过之前的实验证明：
1.当被测金属导体的厚度超过该材料渗透厚度的3倍时，电涡流式位移传感器的测量结果与被测金属厚度无关，高电导率、高磁导率的金属材料有利于减小电涡流渗透对于测量的影响。
2.被测金属导体的材料对电涡流式位移传感器的灵敏度具有影响，高电阻率、低磁导率的被测金属导体其电涡流应用测量结果的灵敏度更高一些。
3.在选用电涡流传感器被测金属导体时，要综合考虑在满足设计要求的外形尺寸同时，满足较高的传感器应用灵敏度。
参考文献：
[1]上海科学技术大学.精密测试技术【M】.上海：人民铁道出版社，1979.
[2]毛英泰.误差理论与精度分析【M】.北京：国防工业出版社，1982.
[3]丛华，邱绵浩，刘维平.电涡流传感器计算机辅助分析与设计【J】.华北工学院测试技术学报，2000，14（专刊）：394—400.
[4]汪云.基于霍尔传感器的转速检测装置【J】.传感器技术，2003，22（10）：46
[5]王化祥，张淑英.传感器原理机应用【M】.天津：天津大学出版社，2007.
[6]于亚婷.与被测材料无关的电涡流传感器基础理论与实现方法研究【D】.成都：电子科技大学，2007.