電渦流傳感器位移特性實驗報告

1、 電渦流傳感器位移特性實驗 實驗報告 專業(yè)： 機械工程 班級： 機械7班 學號： 2201507003 姓名： 牛嘉彬 2015年11月20日 一前言我們經(jīng)常要通過判斷物體的位移量來判斷物體的狀長度是測量中最常見的物理量之一，不少非位移變化量也是通過傳感器內(nèi)部器件相對位移來測量計算得出的。態(tài)變化。除此之外，位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電量。在生產(chǎn)過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型和結(jié)構(gòu)型兩種。常用位移傳感器以模擬式結(jié)構(gòu)型居多，包

2、括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數(shù)字式位移傳感器的一個重要優(yōu)點是便于將信號直接送入計算機系統(tǒng)。這種傳感器發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。 電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面距離。作為一種非接觸的線性化計量工具，它能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。在高速旋轉(zhuǎn)機械和往復式運動機械狀態(tài)分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續(xù)準確地采集到轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。電渦流傳感器以其長期工作可靠性

3、好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。因此我們需要來了解電渦流傳感器的相關(guān)特性。 二實驗?zāi)康?了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。 三電渦流傳感器的工作原理 電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導電體金屬渦流片）組成，如圖1所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz2MHz）I1時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場H1，當線圈平面靠近某一導體面時，由于線圈磁通鏈穿過導體，使導體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈

4、又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感，從而導致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣就可得到如圖1的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線 圖1電渦流傳感器原理圖 圖.2 電渦流傳感器等效電路圖 圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距的減小而增大。 根據(jù)等效電路可列出電路方程組： 通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復阻抗為： 線圈的等效電感為： 線圈的等效Q值為： QQ01-(222)/(122)1+(R222)/

5、( R122) 式中：Q0 無渦流影響下線圈的值，Q01R1； 22 金屬導體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，22R22+2L22。 由式Z、L和式可以看出，線圈與金屬導體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導體間距離x(H)的非線性函數(shù)。因此Z、L、均是的非線性函數(shù)。雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為卜型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實Z、L、的變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗就成

6、為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當電渦流線圈、金屬渦流片以及激勵源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關(guān)。于此，通過傳感器的調(diào)理電路（前置器）處理，將線圈阻抗Z、L、的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。 為實現(xiàn)電渦流位移測量，必須有一個專用的測量電路。這一測量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量實驗框圖如圖3所示： 電渦流位移特性實驗框圖圖3 等效Q值、根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測體間的距離變換

7、為傳感器的 L三個參數(shù)，用相應(yīng)的測量電路（前置器）來測量。和等效電感阻抗Z 所示。4本實驗的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測量電路，電路原理與面板如圖 電渦流變換器原理圖與面板圖圖4左右的正弦載組成電容三點式振蕩器，產(chǎn)生頻率為C31MHzC1、C2、 電路組成：Q1、振蕩器作電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。波信號。、L2D1、C5用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號的幅值變化。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號中傳感形濾波的檢波器。組成了由二極管和LC形成的C6 Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配器檢測到的低頻信號取出來。 以獲得盡可能大

8、的不失真輸出的幅度值。間的間隙變化來測物體的振電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）具有很寬的使用頻率范圍它與被測物之間沒有直接的機械接觸，動相對位移量和靜位移的，為定值且最高，Q0f0，傳感器端部線圈10Hz）。當無被測導體時，振蕩器回路諧振于（從0值發(fā)生變，振蕩器的QVo 最大。當被測導體接近傳感器線圈時，線圈對應(yīng)的檢波輸出電壓變化反映了位移的變VoVo變小。諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值 化。電渦流傳感器在位移、振動、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測量上得到應(yīng)用。 四實驗準備器材（或V表；顯示面板中的F測微頭、機頭中的振動臺、電渦流傳感器、被測體(鐵圓片) 電壓表）；調(diào)

9、理電路面板傳感器輸出單元中的電渦流、調(diào)理電路面板中的渦流變換器五實驗步驟 處，松開電渦流傳感器的安裝軸套緊固螺釘，5mm1、調(diào)節(jié)測微頭初始位置的刻度值為 示意接線。調(diào)整電渦流傳感器高度與電渦流檢測片相帖時擰緊軸套緊固螺釘并按圖5 電渦流傳感圖5 器位移特性實驗接線示 意圖V、將電壓表（F2表）量程切換開關(guān)切換檔，檢查接線無到20V誤后合上主、副電源開關(guān)（在渦流變換器輸入端可接示波器觀測振蕩，記下電壓表讀波形）數(shù)，然后逆時針調(diào)節(jié)測0.1mm微頭微分筒每隔Vo讀一個數(shù)，直到輸出變化很小為止并將數(shù)據(jù)1 列入表電渦流傳感器1 表 與輸出電壓數(shù)據(jù)X位移 X（mm） 7.2 7.1 7.0 6.9 6.8

10、 6.7 6.6 6.5 6.4 6.3 Vo(V) 0 -0.24 -0.37 -0.52 -0.69 -0.79 -0.95 -1.05 -1.18 -1.33 Vo(V) 0 -0.24 -0.37 -0.53 -0.68 -0.79 -0.97 -1.06 -1.20 -1.33 根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出VX實驗曲線。在實驗曲線上截取線性較好的區(qū)域作為傳感器的位移量程計算靈敏度和線性度（可用最小二乘法或其它擬合直線）。實驗完畢，關(guān)閉所有電源。 六數(shù)據(jù)分析 Matlab使用GUI編輯m文件如下： varargout = nihe_gui(varargin)function %NIHE_GUI M

11、-file for nihe_gui.fig existingraises the a new NIHE_GUI or % NIHE_GUI, by itself, creates % singleton*. % tothe handle new NIHE_GUI or to = NIHE_GUI returns the handle a % H % the existing singleton*. % theusing a new NIHE_GUI % NIHE_GUI(Property,Value,.) creates viapassed properties are % given pr

12、operty value pairs. Unrecognized % varargin to nihe_gui_OpeningFcn. This calling syntax produces a % warning when there is an existing singleton*. % NIHE_GUI(CALLBACK) and NIHE_GUI(CALLBACK,hObject,.) call the % local function named CALLBACK in NIHE_GUI.M with the given input % arguments. % *See GUI

13、 Options on GUIDEs Tools menu. Choose GUI allows only one % instance to run (singleton). % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response to help nihe_gui % Last Modified by GUIDE v2.5 14-Dec-2015 19:05:47 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton =

14、 1; .gui_Name, mfilename, gui_State = struct( ., gui_Singleton, gui_Singleton ., nihe_gui_OpeningFcn, gui_OpeningFcn ., nihe_gui_OutputFcn, gui_OutputFcn .gui_LayoutFcn, , , );gui_Callback nargin & ischar(varargin1)if gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1); end nargoutif varargout1:nargout = g

15、ui_mainfcn(gui_State, varargin:); else gui_mainfcn(gui_State, varargin:); end % End initialization code - DO NOT EDIT % - Executes just before nihe_gui is made visible. nihe_gui_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)function % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject han

16、dle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin unrecognized PropertyName/PropertyValue pairs from the % command line (see VARARGIN) % Choose default command line output for nihe_gui handles.outp

17、ut = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes nihe_gui wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); % - Outputs from this function are returned to the command line. varargout = nihe_gui_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)function % varargou

18、t cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout1 = handles.output; edi

19、t1_Callback(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to edit1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,String) returns contents of edit1 as text% str2double(get(hObject

20、,String) returns contents of edit1 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties. edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to edit1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB calledCreateFcns until after

21、all % handles empty - handles not created % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER.if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), )defaultUicontrolBackgroundColorget(0, );whiteBackgroundColor, set(hObject, end edit2_Callback(hObject, eventdata, handl

22、es)function % hObject handle to edit2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,String) returns contents of edit2 as text% str2double(get(hObject,String) returns contents of edit2 as

23、 a double % - Executes during object creation, after setting all properties. edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to edit2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB calledCreateFcns after all created handles empty % - handles not u

24、ntil % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER.if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), )defaultUicontrolBackgroundColorget(0, );,white set(hObject,BackgroundColor end % - Executes on button press in pushbutton1. pushbutton1_Callback(hObject, ev

25、entdata, handles)function % hObject handle to pushbutton1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) );stringx=str2num(get(handles.edit1, );stringy=str2num(get(handles.edit2, p=polyfit(x,y,1); x1=max(x):-

26、0.1:min(x); y2=polyval(p,x1); axes(handles.axes1) ,x1,y2);*rplot(x,y, % - Executes on button press in pushbutton2. pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to pushbutton2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structu

27、re with handles and user data (see GUIDATA) );x=str2num(get(handles.edit1,string );y=str2num(get(handles.edit2,string p=polyfit(x,y,1); x1=max(x):-0.1:min(x); y2=polyval(p,x1); e=abs(y-y2); axes(handles.axes1) plot(x,e); % - Executes on button press in pushbutton3. pushbutton3_Callback(hObject, even

28、tdata, handles)function % hObject handle to pushbutton3 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) );stringx=str2num(get(handles.edit1, );stringy=str2num(get(handles.edit2, );y1=str2num(get(handles.edit3,

29、string e2=abs(y-y1); x1=max(x):-0.1:min(x); axes(handles.axes1) plot(x,e2); % - Executes on button press in pushbutton4. pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to pushbutton4 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles s

30、tructure with handles and user data (see GUIDATA) close; edit3_Callback(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to edit3 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,Strin

31、g) returns contents of edit3 as text% str2double(get(hObject,String) returns contents of edit3 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties. edit3_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to edit3 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined

32、 in a future version of MATLAB calledall CreateFcns created until after handles % handles empty - not % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER.if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), )defaultUicontrolBackgroundColorget(0, );,whiteBackgroundColor set(hObject, end edit4_Callback(hObject, eventdata, handles)function % hObject handle to edit3 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,String) r