柔软电涡流位移敏感元件提离特性基础研究

来源 :东北大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:hongyin_wangyi
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传统电涡流传感器的敏感探头由金属线圈绕制而成,虽然随制备工艺的发展已趋于柔软纤薄,但仍具有一定刚性,并且只适用于被测目标物是金属导体的场合。因此迫切需求一种柔软、适用于绝缘被测目标物的非接触式位移测量传感器。基于此,本文首次研究了一种基于电涡流效应的柔软位移敏感元件,采用碳纳米管/硅橡胶复合材料制备成敏感线圈和复合材料薄膜,该种材料不含任何金属,并具有良好的力学和电学特性。本课题的主要内容包括:(1)制备了螺旋型碳纳米管/硅橡胶复合材料线圈,其导电相与基体相质量比为0.001-0.20,圈数为3-9圈;制备了长7cm、宽7cm、厚2mm的碳纳米管/硅橡胶复合材料薄膜,其质量比为0.01-0.24。(2)分析了质量比、频率对复合材料线圈阻抗特性和电涡流特性的影响。研究发现阻抗特性如下:线圈的阻抗模、阻抗角和并联等效电阻均随着质量比的增大而减小,并联等效电容随着质量比的增大而增大;线圈的阻抗模、阻抗角、并联等效电阻和并联等效电容均随频率的增大而减小。电涡流特性如下:当被测目标物不同时,螺旋型复合材料线圈的阻抗模、阻抗角、并联等效电容和并联等效电阻在各质量比、各频率下体现出基本一致的提离特性。线圈的阻抗模、阻抗角和并联等效电阻均随提离的增加单调增加,并联等效电容随提离的增加单调减小。(3)定量分析了敏感元件的噪声、灵敏度和分辨力。噪声小于2.3%,随质量比的增大敏感元件的灵敏度先增大后减小,分辨力也先增大后减小,质量比0.04时最大。提离为0至0.5mm时,分辨力最高0.05mm,灵敏度达到1.7kΩ/mm。(4)初步分析了碳纳米管/硅橡胶复合材料线圈的导电模型,建立了隧道效应与电涡流效应的联系。通过对碳纳米管/硅橡胶复合材料线圈电涡流特性的分析发现,在一定提离变化范围内,线圈阻抗模单调变化,分辨力可达到0.05mm。初步验证了利用复合材料线圈和薄膜实现非接触式位移测量并适用于绝缘被测目标物的可行性。
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