传感器技术实验指导书VIP免费

实验四电涡流传感器位移特性实验一、实验目的：1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。3、了解电涡流传感器位移特性与被测体的形状和尺寸有关。二、基本原理：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图4-1所示。根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图4-2的等效电路。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。图4-1电涡流传感器原理图图4-2电涡流传感器等效电路图根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为：线圈的等效电感为：线圈的等效Q值为：1Q＝Q0{[1-(Ｌ2ω2Ｍ2)/(Ｌ1Ｚ22)]／［1+(R2ω2Ｍ2)/(R1Ｚ22)］}式中：Q0—无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；Ｚ22—金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、Ｑ的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如图4-3所示：图4-3电涡流位移特性实验原理框图根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理与面板如图4-4所示。电路组成：⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频2信号取出来。⑶Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。当无被测导体时，振荡器回路谐振于f0，传感器端部线圈Q0为定值且最高，对应的检波输出电压Vo最大。当被测导体接近传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值Vo变小。Vo变化反映了位移ｘ的变化。电涡流传感器在位移、振动、转速、探伤、厚度...