大半徑電渦流的金屬目標探測性能研究

王晨斌，郭文超，高偉濤，馬鐵華，靳書云

(1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 電氣與控制工程學院，太原 030051；3.華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

1 引言

金屬移動目標探測一直以來都是航天航空、導(dǎo)彈防御、軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域的重要課題。當前針對金屬彈頭、無人機、車輛等移動目標探測受被測目標速度、姿態(tài)、紅外特性以及距離等因素影響，大多采用多傳感融合的復(fù)合探測技術(shù)，以彌補單一探測單元在精確性和魯棒性上的不足。針對彈頭、無人機等飛行目標的復(fù)合探測過程中，常用的激光、紅外、毫米波雷達等探測環(huán)節(jié)具有較強的輻射特性和功耗，應(yīng)用于移動平臺時具有較大的限制條件，而大半徑電渦流傳感器具有更強的隱蔽能力和較弱的輻射特征。在應(yīng)用于移動平臺的金屬飛行體探測過程中，使用紅外陣列和電渦流的復(fù)合探測方法可極大地減少系統(tǒng)成本、功耗和輻射特性。隨著基于電磁場的金屬探測技術(shù)的發(fā)展，前人利用電磁信號，圍繞金屬移動目標探測技術(shù)不斷研究。通過對電渦流傳感器輸出信號進行降噪處理，成功將電渦流傳感器應(yīng)用于火箭滑橇的位移測試中，操作簡單、價格便宜、性能可靠。設(shè)計勵磁均勻性較好的勵磁線圈搭配其他類型傳感器可有效進行高速小目標飛行姿態(tài)識別，能夠直觀準確地顯示金屬探測及定位數(shù)據(jù)。因受到測量范圍的影響，電渦流傳感器主要應(yīng)用于較短距離位移或振動測試、金屬器件裂紋及厚度檢測。渦流傳感器在檢測物體運動特征時，測量精度高，魯棒性強，輸出信號不受環(huán)境因素影響。針對電渦流傳感器的應(yīng)用場景進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和模型仿真擴展了電渦流傳感器的線性范圍，從理論上分析了線圈內(nèi)徑和厚度對線圈磁感應(yīng)強度的影響，對線圈匝數(shù)、勵磁電流強度等因素進行了分析并提出優(yōu)化方案。

在此引入經(jīng)過優(yōu)化的電渦流探測單元，提出一種基于電渦流傳感器的金屬移動目標探測方法，通過優(yōu)化的電渦流線圈模型，針對不同距離來襲的金屬移動目標所產(chǎn)生的不同渦流電信號，在有效探測范圍內(nèi)，根據(jù)不同的響應(yīng)電流，判斷金屬移動目標移動特征。致力于尋找和設(shè)計合適的電渦流模型以在小功率情況下，提高系統(tǒng)整體性能，針對電渦流探測距離較近的問題，改進渦流線圈參數(shù)，以提升其探測性能。

2 金屬移動目標探測原理

探頭線圈通以高頻振蕩電流后，在探頭線圈中產(chǎn)生交變磁場，金屬移動目標經(jīng)過電渦流傳感器的有效探測范圍時，在金屬移動體表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，產(chǎn)生感應(yīng)磁場。與的磁場方向相反，由于的存在，會導(dǎo)致探頭線圈閉合面的磁通量和探頭線圈的等效阻抗發(fā)生變化，原理圖如圖1。

圖1 電渦流檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of eddy current testing

應(yīng)用電渦流傳感器可以很好地彌補多傳感融合的金屬移動目標探測過程中信號不連續(xù)、紅外特征強、隱蔽能力弱等缺陷，然而傳統(tǒng)渦流傳感器探測范圍無法滿足金屬移動目標檢測需求，我們針對電渦流探測存在的問題，在建模仿真的基礎(chǔ)上，從探頭線圈的幾何參數(shù)優(yōu)化來提高電渦流傳感器的實際測量范圍，達到在較遠距離探測金屬移動目標的效果?？傮w設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計流程框圖Fig.2 Overall design flow chart

3 電渦流探測結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為實現(xiàn)可在移動平臺上搭建復(fù)合探測系統(tǒng)，滿足低成本、低功耗要求，同時要求線圈外直徑不超過0.3 m，探測距離要求0.5 m以上?？紤]在相同供電功率的情況下，增大電渦流線圈半徑，以滿足探測距離要求；電渦流探測結(jié)合電橋電路，可良好地提高電渦流信號響應(yīng)靈敏度，保證靈敏度要求；在小功率供電的情況下，可減少線圈直徑，提高線圈匝數(shù)。

經(jīng)過MATLAB仿真分析，得出線圈優(yōu)化參數(shù)，在線圈匝數(shù)、內(nèi)半徑以及厚度不變的情況下，改變外半徑的值，做出不同外半徑情況下的軸向磁感應(yīng)強度與距離之間的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3中，代表線圈的外半徑，分別對外半徑為0.15 m、0.14 m、0.13 m、0.12 m和0.11 m的線圈進行仿真?？招木€圈的軸向磁感應(yīng)強度與距離的變化關(guān)系受外半徑的影響較大，在檢測距離小于0.1 m時，外半徑小的線圈軸向磁感應(yīng)強度大，但是軸向磁感應(yīng)強度衰減快，線圈外半徑越大，在近距離處磁感應(yīng)強度越小，軸向磁場衰減慢。檢測距離大于0.1 m時，外半徑大的線圈軸向磁感應(yīng)強度大于外半徑小的線圈的軸向磁感應(yīng)強度，即外半徑大的線圈敏感范圍大于外半徑小的線圈的敏感范圍。對于遠距離目標探測，線圈外半徑越大，軸向磁感應(yīng)強度越大，敏感范圍越大，靈敏度越高，線性范圍更大。

圖3 外半徑不同的線圈Bp-x曲線Fig.3 the curve of Bp-x with different outer radius

通過電渦流模型仿真分析得出：線圈內(nèi)半徑和厚度對電渦流傳感器遠距離探測性能影響較小，而線圈外半徑對電渦流傳感器的探測距離與探測性能有直接影響?；诜抡娣治鲈O(shè)計電渦流傳感器線圈，為滿足可在移動平臺上安裝復(fù)合探測系統(tǒng)，要求線圈直徑不超過0.3 m，兼顧低成本低功耗，線圈設(shè)計外半徑為150 mm，內(nèi)半徑140 mm，厚度5 mm，并使用0.1 mm漆包線繞制線圈。

3.1 優(yōu)化電渦流信號采集

電渦流傳感器的被測參數(shù)的變化可以轉(zhuǎn)換成線圈的品質(zhì)因數(shù)、等效阻抗和等效電感的變化。通過轉(zhuǎn)換電路將這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳⒘康淖兓M行輸出。使用直流電橋法設(shè)計電渦流的信號采集電路。電橋法可以將微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，是一種精度很高的測量方式。設(shè)計的電渦流信號采集電路如圖4所示。

圖4 電渦流信號采集電路圖Fig.4 Eddy current signal acquisition circuit

圖4中把繞制的線圈當做電橋的一個橋臂，另外3個臂使用固定電阻，把電渦流線圈非電量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變換(即電橋的輸出)。采用直流激勵作為電橋輸入，當電渦流線圈所產(chǎn)生的均勻磁場有輕微擾動時，產(chǎn)生的電動勢使得線圈兩端的電勢差發(fā)生變化，即產(chǎn)生輸出信號，通過電橋電路成倍放大。

在電橋中，電渦流線圈可視作可變電阻，其變化量為Δ。、、為固定電阻，為輸出電壓，初始狀態(tài)下，電橋處于平衡狀態(tài)，當電渦流線圈存在變化量Δ時，電橋輸出電壓為

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3.2 信號放大及濾波電路優(yōu)化

經(jīng)過實驗測試，放大濾波電路設(shè)計中采用先放大后濾波的方式更適合本文信號的檢測。上述的電橋輸出的電壓在毫伏級別，故需進行相應(yīng)的放大將信號放大已完成后續(xù)操作，該儀表放大器的放大倍數(shù)為

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設(shè)計的放大電路如圖5所示。

圖5 放大電路圖Fig.5 Amplifier circuit

圖5中，為增益調(diào)節(jié)電阻。濾波器選擇壓控電壓源二階濾波電路，如圖6所示。

圖6 濾波電路圖Fig.6 Filter circuit

圖6中、和、組成RC網(wǎng)絡(luò)，形成二階濾波電路。

3.3 比較電路

如圖7所示，比較電路中電壓比較器LM393與、、構(gòu)成比較電路。、、為參考電壓(閾值電壓)設(shè)置部分。通過調(diào)節(jié)的值來達到控制參考電壓的目的。LM353在此電路中作為跟隨器使用，可以起到緩沖、隔離以及提高帶載能力的作用。

圖7 比較電路圖Fig.7 Comparison circuit

將上述信號采集電路、放大及濾波電路，以及比較電路進行聯(lián)合仿真，在仿真中使用可變電阻替代電渦流線圈，調(diào)節(jié)可變電阻器的阻值，表示電渦流線圈在檢測到金屬移動目標時線圈阻抗的變化，電路仿真輸出圖如圖8。

圖8 優(yōu)化電路仿真輸出圖Fig.8 Optimized circuit simulation output diagram

由圖8可知：初始時刻，比較器輸出為低電平，電橋處于平衡狀態(tài)，經(jīng)過放大器后輸出信號近似為0；隨著可變電阻阻值的變化，經(jīng)放大器輸出的信號變大，當達到響應(yīng)閾值時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平信號，即電渦流傳感器輸出響應(yīng)信號。

4 金屬移動目標模擬實驗及分析

選擇探頭線圈的外半徑為 0.15 m，內(nèi)半徑 0.14 m，厚度0.005 m，進行多種類型金屬移動目標模擬探測實驗，分別利用磁鐵和30 cm×30 cm×4 mm勻制鐵板模擬金屬移動目標運動，借助數(shù)字采集儀獲取電渦流探測信號。

4.1 電渦流線圈探測移動磁鐵

使用磁鐵作為被測物體(磁鐵相比金屬目標有更強的磁感應(yīng)強度，更利于被電渦流線圈檢測)靠近探測裝置，驗證電渦流線圈對具有大量剩磁移動目標的探測效果，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 線圈50 cm處信號響應(yīng)曲線Fig.9 Signal response diagram at 50 cm of coil

由圖9可知：在距離線圈50 cm處在線圈的探測范圍內(nèi)，被測物體3次經(jīng)過線圈的探測范圍，波形出現(xiàn)3次振蕩，每次振蕩對應(yīng)磁鐵每一次經(jīng)過線圈的探測范圍。每個震蕩周期對應(yīng)被測物體穿過線圈探測范圍的時間；峰值被測物體導(dǎo)致的線圈磁通量變化的最大位置。

由圖10可知：被測物體距離電渦流線圈越近，電渦流線圈輸出信號越強，且被測物體速度的變化引起了輸出信號幅值的變化。被測物體切割電渦流線圈的磁感線的速度不同而導(dǎo)致磁通量的變化率不同，導(dǎo)致感生的電動勢不同，故產(chǎn)生幅值不一的信號。

圖10 不同距離處電渦流信號響應(yīng)曲線Fig.10 Response diagram of eddy current signal at different distances

實驗中信號從電橋的輸出端進行采集，濾波操作在MATLAB中進行，數(shù)字采集儀的采樣頻率為1 kHz，數(shù)據(jù)處理中采用巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為20 Hz。

實驗對磁鐵移動引起電渦流線圈輸出信號的影響的研究，研究表明：磁鐵移動切割電渦流線圈產(chǎn)生的磁感線，使得電渦流線圈輸出信號；信號的周期對應(yīng)磁鐵穿過電渦流線圈探測范圍的時間，信號的幅值受到距電渦流線圈距離以及磁鐵運動速度的影響。且磁鐵運動速度越快，其磁通量變化越快，從而產(chǎn)生更高的感應(yīng)電動勢。

4.2 電渦流線圈探測移動勻制鐵板

實驗使用移動金屬物體(30 cm×30 cm×0.4 cm的勻制鐵板)作為被測物體來觀察電渦流線圈的輸出信號。被測物體相較磁鐵，不具有磁性，但是帶有一定的剩磁。金屬板初始運動距離線圈50 cm，橫向進入線圈的探測范圍，步進20 cm，實驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 被測物體在不同距離電渦流線圈響應(yīng)曲線Fig.11 Response of eddy current loop of measured object at different distances

電渦流線圈輸出信號的周期對應(yīng)金屬板經(jīng)過電渦流線圈探測范圍的時間，輸出信號的幅值受到目標距離電渦流線圈距離遠近以及在移動被測物體過程中速度的影響。取被測物體距線圈50 cm處響應(yīng)信號進一步的分析，響應(yīng)信號波形如圖12所示。

圖12 被測物體距電渦流線圈50 cm的響應(yīng)信號波形Fig.12 The distance between the object and the vortex streamline circle is 50 cm

由圖12可知：被測物體距電渦流線圈50 cm處移動時，電渦流線圈輸出信號的周期為0.29 s，從而可以求出被測物體移動的速度。電渦流傳感器產(chǎn)生的靜態(tài)磁場的有效范圍為80 cm，故可認為被測物體進入時即進入電渦流線圈的探測范圍，離開時即離開電渦流線圈的探測范圍。在假設(shè)成立條件下，可求得被測物體在電渦流線圈的探測范圍內(nèi)的平均速度為2.7 m/s。

波峰和波谷的值不相等，有2種可能的影響因素：

1)在被測物體進入電渦流線圈的探測范圍時，其運動速度<，在被測物體離開電渦流線圈的探測范圍時，其運動速度>；

2)被測物體移動進入電渦流線圈的探測范圍時，在標注的距離電渦流線圈50 cm處，金屬板離開電渦流線圈的探測范圍時，產(chǎn)生的微小偏差。

由于被測物體在運動過程中的姿態(tài)位置的微小改變以及振動影響，在信號采集過程中會出現(xiàn)噪聲波紋，可能會影響信號響應(yīng)準確性，造成響應(yīng)延遲或虛警。

可對濾波電路進行針對性調(diào)整提高濾波效果，或提高信號響應(yīng)閾值，降低虛警率。

4.3 勻制鐵板垂直進入線圈探測范圍

為檢測電渦流法向測量范圍，使用勻制鐵板在距電渦流線圈5.5 m處，以2.76 m/s(傳送帶標定速度，由于總存在響應(yīng)時間延遲，若速度過快，易導(dǎo)致距離計算誤差過大)的勻速垂直接近電渦流線圈，至距線圈10 cm處反向離開，電渦流響應(yīng)信號波形如圖13所示。

圖13 被測物體垂直靠近電渦流線圈的響應(yīng)信號波形Fig.13 The measured object is vertically close to the eddy current coil

由圖13可知：被測物體垂直進入電渦流線圈的探測范圍，在1.8 s時被電渦流線圈探測到，即被測物體距電渦流線圈為54 cm時，電渦流線圈檢測到金屬目標。

當被測物體從不同的方向靠近電渦流線圈時，電渦流線圈都可以對被測物體進行有效的探測，經(jīng)過實驗驗證，在被測物體垂直于電渦流線圈并靠近時，在被測物體距離電渦流線圈54 cm時，電渦流線圈能夠采集到信號輸出，以此可作為下一步工作的啟動信號。

經(jīng)過電路測試，電渦流線圈的響應(yīng)時間<10 μs，調(diào)理電路的響應(yīng)時間為0.35 ms，電渦流線圈的探測距離為54 cm。若炮彈速度1 000 m/s，約在電渦流傳感器的探測范圍內(nèi)飛行0.4 ms，而整個電渦流探測部分的響應(yīng)時間總和約為0.36 ms。渦流探測部分的響應(yīng)時間小于炮彈在電渦流傳感器探測范圍內(nèi)的飛行時間，故所設(shè)計的電渦流探測部分可以完成對金屬飛行體的探測并完成響應(yīng)。

5 結(jié)論

提出了一種基于電渦流傳感器的金屬移動目標探測方法，在金屬目標檢測方面具有低成本、低功耗、高靈敏度等特點，通過Maxwell電磁場仿真以及電路仿真對電渦流線圈結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并進行模擬探測實驗。實驗表明，相比于同等功率的傳統(tǒng)電渦流傳感器，經(jīng)優(yōu)化的大半徑電渦流傳感線圈的探測距離顯著提升，響應(yīng)精度得到有效提高，在高速目標探測過程中亦可達到有效響應(yīng)，具有實用價值，將進一步應(yīng)用于針對金屬移動目標、無人機、車輛的多傳感融合探測實驗中。