基于UV-LIGA技术的电涡流传感器研制

　　0　引言

　　电涡流传感器是基于电涡流效应的无损、非接触式传感器,在机械量的测量以及金属材料的无损检测等很多领域都得到了广泛的应用[1]。电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量的线性范围大、不受介质影响、抗干扰能力强等优点,可用来测量位移、厚度、尺寸、振动、转速、压力、电导率、温度、硬度等参数以及探测金属表面的裂纹和缺陷。目前对电涡流传感器实现方法的研究较多,但基本上都是针对信号检测及标定方法进行研究的[2,3],对传感器结构及关键元件的研究却很少。本文采用SU-8胶光刻电铸的加工方法制造了传感器的关键零件———微型平面线圈与铁芯,并根据线圈互感原理实现对微位移的检测。这种微型传感器易于集成到电路实现在线检测。

　　1　基本原理

　　传统的电涡流传感器采用在单层线圈中通以正弦交变电流,产生正弦交变磁场使线圈阻抗发生变化,当阻抗为线圈到金属导体之间距离的单值函数时,便可将位移量转化成电量进行测量。采用单层线圈时由于磁阻高,为了达到某一自感量,所需要的线圈匝数多,线圈分布电容大,且灵敏度低。

　　如图1所示,驱动线圈由高频信号激励,产生一个高频交变磁场,当被测导体靠近线圈时,在磁场作用范围的导体表层,产生与此磁场相交链的电涡流,而此电涡流又将产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。从能量角度来看,在被测导体内存在着涡流损耗与磁损耗。能量损耗使敏感线圈的感应电动势降低,因此当被测体与传感器间的距离改变时,感应电动势发生变化,通过测量敏感线圈的电压即可确定位移。

     　在理想情况下(忽略线圈寄生电容及铁损),传感器的等效电路如图2所示。其中,e1为驱动线圈激励电压,e2为敏感线圈激励电压,R1、R2为线圈电阻,M为驱动与敏感线圈间的互感,L1、L2为线圈的电感。驱动线圈的复数电流值为

　　显然,当激励信号的频率、幅值固定时,敏感线圈中产生的感应电压与驱动线圈、敏感线圈的匝数、铁芯磁导率及间隙磁通截面面积成正比,与间隙成反比。由于能量损耗,实际的感应电压应低于理论值。当激励电压、驱动线圈与敏感线圈、间隙磁通截面面积及铁芯磁导率确定时,感应电压是铁芯间隙的单值函数。激励电压频率、幅值越大,敏感线圈中的感应电压增大。

　　为降低器件高度,实现将传感器集成到电路中,采用平面线圈作为传感器的驱动与敏感元件。铁芯采用高磁导率、低矫顽力、低剩磁的电铸Ni-20%Fe(质量分数)合金制作。