基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作装置及方法与流程

本发明属于电涡流位移测量技术领域，涉及一种基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作装置及方法。

背景技术：

电涡流传感器是一种具有高灵敏度、大感应范围、快响应速度和简单结构的非接触式测量传感器。在机械位移、变形、裂纹检测等方面具有广泛的应用价值。

对于燃气涡轮、蒸汽轮机等高温设备中的部件微小位移测量问题，对传感器的耐温性和灵敏度提出更高的要求。以往的电涡流位移传感器线圈采用金属铜或银制作而成，耐温最高不超过900℃；或是采用复杂的探头结构对感应线圈进行冷却，以提高探头使用温度。目前常用的电感线圈加工方法一般为三维螺旋缠绕、采用自粘胶成型或光刻溅射法，其中三维螺旋线圈和自粘胶平面线圈成型无法满足1000℃以上的高温和微小距离测距的要求，光刻溅射方法设备繁多、加工工艺复杂、成本较贵，且能够采用的材料耐温性能也无法满足1000℃以上的使用环境要求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作装置及方法，解决不采用自粘胶线圈的传感器线圈加工和封装问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作装置，包括位移控制单元、设在位移控制单元上的送线单元和绕线驱动单元以及与所述绕线驱动单元可拆卸配合安装的平面线圈固定单元；

所述位移控制单元包括底座、设在底座上的滑轨、安装在滑轨上并能沿滑轨移动的位移平台、贯穿连接位移平台并与所述滑轨平行的位移轴以及与位移轴连接的电机；

所述送线单元包括设在位移平台上的固定座、设在固定座上的大线轮、小线轮以及送线锥头；

所述绕线驱动单元包括设在位移平台上的固定板、设在固定板上的绕线电机、与绕线电机连接的联轴器以及与联轴器同轴连接的绕线轴；所述送线锥头指向所述绕线轴；所述绕线轴与所述位移轴平行，所述电机能驱动位移轴带动位移平台以及位于位移平台上的送线单元和绕线驱动单元同时同向移动；绕线轴的作用是固定金属线并带动金属线在平面线圈固定夹片之间缠绕成平面线圈，绕线轴轴径可以根据平面线圈空心内径要求更换，绕线轴可进行轴向的往复运动，从而将绕线轴穿进平面线圈固定夹片贯通孔；绕线电机为低速电机，其转速和圈数可以通过控制器调节，具体的，转速可以在60rpm～3000rpm范围内调节，用来驱动绕线轴转动，通过电机转动带动金属线以绕线轴为中心形成平面线圈。

所述平面线圈固定单元包括两个相互平行相对的固定夹片、夹片固定架、固定架位移台以及位移控制器；固定夹片均安装在夹片固定架上，且两个固定夹片之间的距离可调；所述绕线轴贯穿两个固定夹片；所述夹片固定架连接固定架位移台，固定架位移台连接位移控制器。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述夹片固定架包括距离可调的第一支架和第二支架；所述固定架位移台包括用以安装第一支架的第一固定架位移台和用以安装第二支架的第二固定架位移台，且第一固定架位移台固定在所述底座上，并在第一固定架位移台上设有滑道，所述滑道与绕线轴相互平行；第二固定架位移台设在滑道上并能沿滑道移动；

所述两个固定夹片分别为第一固定夹片和第二固定夹片，第一固定夹片设在第一支架上，第二固定夹片设在第二支架上；位移控制器能控制第二固定架位移台在滑道上并滑动，从而调节第一支架和第二支架之间的距离，进一步控制第一固定夹片和第二固定夹片之间的距离。

具体的，所述固定夹片包括能相互拼接成圆形的固定夹片的固定夹片上部和固定夹片下部，固定夹片上部和固定夹片下部之间铰接以打开和闭合固定夹片；固定夹片上部和固定夹片下部相接触的壁面上均设有相对的弧形槽，当固定夹片闭合时，两个弧形槽对接成贯通固定夹片的贯通孔，两个固定夹片的贯通孔和绕线轴同轴，所述绕线轴能穿过该贯通孔。

具体的，在所述固定夹片上部和固定夹片下部之间设有螺栓，螺栓拧紧能使固定夹片上部和固定夹片下部紧密拼接，实现闭合固定夹片；螺栓松开能实现打开固定夹片；固定夹片的打开和闭合用以实现将固定夹片安装在绕线轴上。

具体的，所述固定夹片的一面为平面，另一面为凸锥面，并且贯通孔贯穿凸锥面的中心；在凸锥面设有以贯通孔为中心的圆形凹槽；两个固定夹片的凸锥面相对。两个固定夹片的相对应的圆形凹槽部分用于嵌入陶瓷片，用来固定平面线圈的形状，与成型的平面线圈同时取下进行封装，避免成型的平面线圈在封装过程中的变形。该陶瓷片采用与传感器封装陶瓷胶相同的材料提前制作而成，且陶瓷片中心开孔，孔径与绕线轴和金属线直径匹配使金属线和绕线轴均可穿过中心孔。

具体的，所述固定座垂直安装在位移平台上，送线锥头安装在垂直于固定座的转轴上，送线锥头能绕转轴转动，送线锥头旋转所在平面垂直于绕线轴；所述送线锥头为中心贯通结构，以使金属线穿过；

所述大线轮和小线轮均垂直安装在固定座上，且大线轮、小线轮和送线锥头位于固定座的同一侧。大线轮用来固定金属线，小线轮用来张紧金属线，使进入送线锥头的金属线保持张紧状态，避免绕线发生缠绕剐蹭等，同时起到对准平面线圈固定夹片间隙的作用。送线锥头为空心锥筒，金属线从锥筒尾端进入从细端送出，送线锥头180度可调，用来对准平面线圈固定夹片的间隙；金属线从送线锥头送出后从右侧平面线圈固定夹片贯通孔与绕线轴之间的缝隙穿出并固定在绕线轴上。

具体的，所述底座两端设有两个竖向且相互平行的侧壁，所述位移轴设在两个侧壁之间，且电机固定在其中一个侧壁上。

具体的，在所述侧壁上还设有与绕线轴端部相对应的稳固块，稳固块上设有与绕线轴同轴的圆柱形凹槽；绕线轴的端部能伸入该圆柱形凹槽内，实现绕线轴的稳固和限位。

本发明还提供一种基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作方法，该方法采用所述的装置，具体包括以下步骤：

步骤一：将平面线圈的原材料金属线缠绕在大线轮上，经过小线轮张紧后穿过送线锥头，金属线沿绕线轴穿过固定夹片的贯通孔并固定在绕线轴上；

步骤二：通过电机调节送线单元和绕线驱动单元的位置；再通过位移控制器调整平面线圈固定单元中的固定夹片和绕线轴的相对位置，使绕线轴穿过固定夹片的贯通孔；

步骤三：通过位移控制器调节第一支架和第二之间的位置，准确控制第两个固定夹片使绕线轴穿过固定夹片的贯通孔，然后调节两个固定夹片的距离达到目标平面线圈厚度；

步骤四：固定好金属线和各部件位置后，开启绕线电机，驱动绕线轴旋转带动金属线在两个固定夹片间隙内形成平面线圈后，停止绕线电机；

步骤五：通过电机调节位移平台，将绕线电机带动联轴器和绕线轴轴向移动离开固定夹片位置；

步骤六：从夹片固定架上拆开两个固定夹片，同时取下两个固定夹片中心的陶瓷片和成型的平面线圈；

步骤七：用陶瓷胶封装陶瓷片和平面线圈缝隙，固定平面线圈形状和位置，得到传感器探头。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明针对高温环境中的微小位移测量问题提出一种平面电涡流线圈位移传感器探头的制作装置，解决了不采用自粘胶线圈的传感器线圈加工和封装问题，采用耐高温的材料制作传感器，传感器感应线圈为平面空心线圈，与螺纹管式线圈相比具有更强的磁场密度；本发明提供的方法在保证传感器灵敏度、测量范围的同时，突破电感位移传感器的使用温度上限，为解决极端环境中的微小位移测量问题提供一种必需的传感器探头制作方法。

在本发明中，感应线圈原料通过线轮和送线器锥头进入线圈固定夹片中间并固定在绕线轴上，通过绕线电机带动绕线轴转动并在两平行固定夹片之间缠绕成平面线圈，随后采用陶瓷胶对线圈和陶瓷夹片进行封装，起到固定平面线圈位置和结构的作用，同时可以防止燃气涡轮中的腐蚀气体对感应线圈的破坏，延长感应线圈使用寿命，可用于超高温度环境下的位移测量。

本发明可以自主选择线圈材料、线径、线圈尺寸制作适合的平面电感线圈；采用陶瓷片作为平面线圈的夹片，可以有效固定平面线圈形状；采用陶瓷凝胶对线圈及陶瓷片进行无缝隙封装，可有效固定感应线圈的结构之外，还可以避免高温变形对线圈感应的影响，即降低热膨胀对测量结果的影响。

本发明的传感器探头制作装置由常规设备组合而成，成本可控，可靠性高，便于批量生产，还可以根据不同传感器探头的结构要求进行制作。采用耐高温材料制作而成的平面电感传感器探头，可以用于1000℃以上严苛环境下的非接触测量，解决了极高温环境下传感器探头的密封加工问题和耐温问题。

本发明的传感器探头线圈通过高频激励信号在其周围空间产生交变磁场，在通过该磁场的导体内感应出诱导电流，诱导电流方向与原激励信号方向相反，从而影响传感器感应线圈阻抗。通过测量感应线圈阻抗变化量，即可得知导体与传感器探头距离的变化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的俯视图；

图4为本发明的右视图；

图5为本发明的固定夹片结构示意图，(a)为固定夹片上部，(b)为固定夹片下部；

图6为本发明的固定夹片的安装结构示意图；

图7为本发明的平面线圈固定单元结构示意图。

图中各标号表示为：1-移控制单元，2-送线单元，3-绕线驱动单元，4-平面线圈固定单元；

(1-1)-底座，(1-2)-滑轨，(1-3)-位移平台，(1-4)-位移轴，(1-5)-电机；

(2-1)-固定座，(2-2)-大线轮，(2-3)-小线轮，(2-4)-送线锥头；

(3-1)-固定板，(3-2)-绕线电机，(3-3)-联轴器，(3-4)-绕线轴；

(4-1)-固定夹片，(4-2)-夹片固定架，(4-3)-固定架位移台，(4-4)-位移控制器；

(4-1-1)-固定夹片上部，(4-1-2)-固定夹片下部，(4-1-3)-贯通孔；

(4-2-1)-第一支架，(4-2-2)-第二支架；

(4-3-1)-第一固定架位移台，(4-3-2)-第二固定架位移台。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例提供一种基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作装置，包括位移控制单元1、设在位移控制单元1上的送线单元2和绕线驱动单元3以及与绕线驱动单元3可拆卸配合安装的平面线圈固定单元4；位移控制单元1包括底座1-1、设在底座1-1上的滑轨1-2、安装在滑轨1-2上并能沿滑轨1-2移动的位移平台1-3、贯穿连接位移平台1-3并与滑轨1-2平行的位移轴1-4以及与位移轴1-4连接的电机1-5；送线单元2包括设在位移平台1-3上的固定座2-1、设在固定座2-1上的大线轮2-2、小线轮2-3以及送线锥头2-4；绕线驱动单元3包括设在位移平台1-3上的固定板3-1、设在固定板3-1上的绕线电机3-2、与绕线电机3-2连接的联轴器3-3以及与联轴器3-3同轴连接的绕线轴3-4；送线锥头2-4指向绕线轴3-4；绕线轴3-4与位移轴1-4平行，电机1-5能驱动位移轴1-4带动位移平台1-3以及位于位移平台1-3上的送线单元2和绕线驱动单元3同时同向移动；绕线轴3-4的作用是固定金属线并带动金属线在平面线圈固定夹片之间缠绕成平面线圈，绕线轴3-4轴径可以根据平面线圈空心内径要求更换，绕线轴3-4可进行轴向的往复运动，从而将绕线轴3-4穿进平面线圈固定夹片贯通孔；绕线电机3-2为低速电机，其转速和圈数可以通过控制器调节，具体的，转速可以在120rpm～3000rpm范围内调节，用来驱动绕线轴3-4转动，通过电机转动带动金属线以绕线轴3-4为中心形成平面线圈。

平面线圈固定单元4包括两个相互平行相对的固定夹片4-1、夹片固定架4-2、固定架位移台4-3以及位移控制器4-4；固定夹片4-1均安装在夹片固定架4-2上，且两个固定夹片4-1之间的距离可调；绕线轴3-4贯穿两个固定夹片4-1；夹片固定架4-2连接固定架位移台4-3，固定架位移台4-3连接位移控制器4-4。

在本实施例中，夹片固定架4-2包括距离可调的第一支架4-2-1和第二支架4-2-2；固定架位移台4-3包括用以安装第一支架4-2-1的第一固定架位移台4-3-1和用以安装第二支架4-2-2的第二固定架位移台4-3-2，且第一固定架位移台4-3-1固定在底座1-1上，并在第一固定架位移台4-3-1上设有滑道，滑道与绕线轴3-4相互平行；第二固定架位移台4-3-2设在滑道上并能沿滑道移动；两个固定夹片4-1分别为第一固定夹片和第二固定夹片，第一固定夹片设在第一支架4-2-1上，第二固定夹片设在第二支架4-2-2上；位移控制器4-4能控制第二固定架位移台4-3-2在滑道上并滑动，从而调节第一支架4-2-1和第二支架4-2-2之间的距离，进一步控制第一固定夹片和第二固定夹片之间的距离。

具体的，固定夹片4-1包括能相互拼接成圆形的固定夹片4-1的固定夹片上部4-1-1和固定夹片下部4-1-2，固定夹片上部4-1-1和固定夹片下部4-1-2之间铰接以打开和闭合固定夹片4-1；固定夹片上部4-1-1和固定夹片下部4-1-2相接触的壁面上均设有相对的弧形槽，当固定夹片4-1闭合时，两个弧形槽对接成贯通固定夹片4-1的贯通孔4-1-3，两个固定夹片4-1的贯通孔4-1-3和绕线轴3-4同轴，绕线轴3-4能穿过该贯通孔4-1-3。

更具体的，在固定夹片上部4-1-1和固定夹片下部4-1-2之间设有螺栓，螺栓拧紧能使固定夹片上部4-1-1和固定夹片下部4-1-2紧密拼接，实现闭合固定夹片4-1；螺栓松开能实现打开固定夹片4-1；固定夹片4-1的打开和闭合用以实现将固定夹片4-1安装在绕线轴3-4上。

固定夹片4-1的一面为平面，另一面为凸锥面，并且贯通孔4-1-3贯穿凸锥面的中心；在凸锥面设有以贯通孔4-1-3为中心的圆形凹槽；两个固定夹片4-1的凸锥面相对。两个固定夹片4-1的相对应的圆形凹槽部分用于嵌入陶瓷片，用来固定平面线圈的形状，与成型的平面线圈同时取下进行封装，避免成型的平面线圈在封装过程中的变形。该陶瓷片采用与传感器封装陶瓷胶相同的材料提前制作而成，且陶瓷片中心开孔，孔径与绕线轴和金属线直径匹配使金属线和绕线轴均可穿过中心孔。

固定座2-1垂直安装在位移平台1-3上，送线锥头2-4安装在垂直于固定座2-1的转轴上，送线锥头2-4能绕转轴转动，送线锥头2-4旋转所在平面垂直于绕线轴3-4；送线锥头2-4为中心贯通结构，以使金属线穿过；大线轮2-2和小线轮2-3均垂直安装在固定座2-1上，且大线轮2-2、小线轮2-3和送线锥头2-4位于固定座2-1的同一侧。大线轮2-2用来固定金属线，小线轮2-3用来张紧金属线，使进入送线锥头2-4的金属线保持张紧状态，避免绕线发生缠绕剐蹭等，同时起到对准平面线圈固定夹片间隙的作用。送线锥头2-4为空心锥筒，金属线从锥筒尾端进入从细端送出，送线锥头180度可调，用来对准平面线圈固定夹片4-1的间隙；金属线从送线锥头2-4送出后从右侧平面线圈固定夹片4-1贯通孔4-1-3与绕线轴3-4之间的缝隙穿出并固定在绕线轴3-4上。

底座1-1两端设有两个竖向且相互平行的侧壁，位移轴1-4设在两个侧壁之间，且电机1-5固定在其中一个侧壁上。

在侧壁上还设有与绕线轴3-4端部相对应的稳固块，稳固块上设有与绕线轴3-4同轴的圆柱形凹槽；绕线轴3-4的端部能伸入该圆柱形凹槽内，实现绕线轴3-4的稳固和限位。

实施例2：

本实施例提供一种基于平面线圈的耐高温位移传感器探头制作方法，该方法采用实施例1中的装置进行制作，具体包括以下步骤：

步骤一：将平面线圈的原材料金属线缠绕在大线轮上，经过小线轮张紧后穿过送线锥头，金属线沿绕线轴穿过固定夹片的贯通孔并固定在绕线轴上；

步骤二：通过电机调节送线单元和绕线驱动单元的位置；再通过位移控制器调整平面线圈固定单元中的固定夹片和绕线轴的相对位置，使绕线轴穿过固定夹片的贯通孔；

步骤三：通过位移控制器调节第一支架和第二之间的位置，准确控制第两个固定夹片使绕线轴穿过固定夹片的贯通孔，然后调节两个固定夹片的距离达到目标平面线圈厚度；

步骤四：固定好金属线和各部件位置后，开启绕线电机，驱动绕线轴旋转带动金属线在两个固定夹片间隙内形成平面线圈后，停止绕线电机；

步骤五：通过电机调节位移平台，将绕线电机带动联轴器和绕线轴轴向移动离开固定夹片位置；

步骤六：从夹片固定架上拆开两个固定夹片，同时取下两个固定夹片中心的陶瓷片和成型的平面线圈；可以防止燃气涡轮中的腐蚀气体对感应线圈的破坏，延长感应线圈使用寿命，可用于超高温度环境下的位移测量。

步骤七：用陶瓷胶封装陶瓷片和平面线圈缝隙，防止线圈材料受到高温腐蚀环境的影响，固定平面线圈形状和位置，得到传感器探头。

线圈材料金属线可以为不同直径的金属丝，在本实施例中，采用0.2mm直径的铂丝，用来制作耐温1000℃以上的位移测量传感器；平面线圈尺寸通过绕线电机旋转圈数确定，本实施例绕线电机绕12圈，制作的线圈匝数为12匝；陶瓷夹片采用与封装陶瓷胶相同的材料提前加工而成，保证封装的传感器材料一致的热膨胀系数。