位移傳感器的靜態(tài)自動(dòng)標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)研究

1、位移傳感器的靜態(tài)自動(dòng)標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)研究 北京化工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 位移傳感器的靜態(tài)自動(dòng)標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)研究 姓名丁美瑩 申請學(xué)位級別碩士 專業(yè)機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師于源張連凱 20100527 位移傳感器的靜態(tài)自動(dòng)標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)研究 摘要 電渦流傳感器作為一種新型的位移傳感器具有可靠性好測量范圍 寬靈敏度高分辨率高響應(yīng)速度快抗干擾能力強(qiáng)體積小等獨(dú)特優(yōu) 點(diǎn)電渦流位移傳感器不斷擴(kuò)展它的應(yīng)用領(lǐng)域可以用來測量位移振動(dòng) 轉(zhuǎn)速厚度溫度探傷尺寸等參數(shù)電渦流傳感器精度和工作穩(wěn)定性 的檢測標(biāo)定是保證其工作性能和質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)然而目前國內(nèi)外 電渦流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)大多還是靠人工進(jìn)行有誤差大測點(diǎn)少等問題 無法完全反應(yīng)傳感器整

2、個(gè)量程中的工作特性 本文通過對現(xiàn)有的靜標(biāo)臺(tái)進(jìn)行機(jī)械改造提出了一種基于visual 統(tǒng)主要由靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)下位單片機(jī)機(jī)數(shù)據(jù)采集rs232接口電路上 位pc機(jī)數(shù)據(jù)處理四大部分組成單片機(jī)數(shù)據(jù)采集程序由匯編語言開發(fā) 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收及處理軟件由vb語言編寫文中對每一部分都進(jìn)行了詳 細(xì)研究給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)軟件程序流程和人機(jī)交互界面同時(shí)對 采集到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析在標(biāo)定曲線最優(yōu)化直線擬合方法線性 區(qū)求解靜態(tài)特性分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究 與傳統(tǒng)的人工標(biāo)定系統(tǒng)比較該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)標(biāo)定過程的自動(dòng)化 具有精度高測點(diǎn)多操作簡單等特點(diǎn)通過實(shí)際運(yùn)行該系統(tǒng)的可靠性 精確度和穩(wěn)定性良好大大提高了電渦流傳感器標(biāo)定工作的

3、效率和準(zhǔn)確 北京化工大學(xué)碩士論文 度在數(shù)據(jù)處理方面得到了最優(yōu)的擬合標(biāo)定曲線大大降低線性度使 傳感器的使用性能得到改善 關(guān)鍵詞電渦流傳感器靜態(tài)標(biāo)定c8051f350vb串行通信 il abstract staticautocalibrationandexperiment researchofdisplacementsensor abstract currentsensorasanew of has sensor eddy typedisplacementadvantages of resolutionfast goodreliabilitywidemeasuringrangehighsensit

4、ivityhigh antiinterferenceandsmall current responsepreferableability sizeeddy sensorcanbeusedtomeasure displacement andsoonthe and detectionsize temperatureflaw measuringaccuracy are toensurework and workingstabilityimportant performancequality currentsensorcalibrationathomeandabroadare contr01howev

5、ertheeddy whichhave of and less mostlymanuallm shortcomingmeasuringpoint big enor astaticcalibrationfor currentsensorbasedonvisualbasic systemeddy andc8051f350was ofdownlevelmachineis proposedtheprogram andthe of machine developedbyassemblylanguageappliedprogramuplevel isrealizedvbthe consistsoffour

6、 calibration by system partsstatic table microcontrollerdata interfacecircuitandpcdata collectionrs232 softwarehavecarriedonthedetailedintroductionthe processing paper studieshardware manmachine structuresoftware processesfriendly in 北京化工大學(xué)碩士論文 oncalibration linear datathe method interfaceanalysis o

7、ptimal fitting methodoflinear onstaticcharacteristics solving regionanalysis withthetraditional hasthe manual methodthis compared system of structureand advantagehighprecisionmuchmeasuringpointssimple easy the and ofthe operationexperimentstestifyreliabilityaccuracystability autocalibrationmethodthe

8、 curvehasbeen optimalfitting obtainedwhich canreducethe and thesensors linearityimprove performance key current 1 sensorstaticcalibrationc805f350vbserial wordseddy communication 北京化工大學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立 進(jìn)行研究工作所取得的成果除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外本論文不含 任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果對本文的研究做出重 要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均己在文中以明

9、確方式標(biāo)明本人完全意識(shí)到本聲 明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 作者簽名二l羔l 日期j俎生奠三乙一 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī) 定即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京化工大 學(xué)學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤允 許學(xué)位論文被查閱和借閱學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容可 以允許采用影印縮印或其它復(fù)制手段保存匯編學(xué)位論文 保密論文注釋本學(xué)位論文屬于保密范圍在上年解密后適用本授 權(quán)書非保密論文注釋本學(xué)位論文不屬于保密范圍適用本授權(quán)書 作者簽名 互囊塾 日期 絲2望至顰 導(dǎo)師躲化必 日期 郁叭 第一章緒論 第一

10、章緒論 11論文背景 傳感器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵器件其技術(shù)水平直接影響自動(dòng)化系 統(tǒng)和信息系統(tǒng)的整體水平自動(dòng)化技術(shù)水平越高對傳感器技術(shù)依賴程度越大傳感 器產(chǎn)業(yè)以其技術(shù)含量高滲透能力強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益好市場前景廣等優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為是 國內(nèi)外具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)受到全社會(huì)的矚目 全世界約有40個(gè)國家從事傳感器器件的研制生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)工作其中以日 俄美等國實(shí)力較強(qiáng)他們創(chuàng)建了化學(xué)量物理量生物量三大門類的傳感器產(chǎn)業(yè) 生產(chǎn)研發(fā)單位5000余家產(chǎn)品20000多種并且已對應(yīng)用范圍較廣的產(chǎn)品進(jìn)行了規(guī)模 化生產(chǎn)大型企業(yè)的年生產(chǎn)能力達(dá)到幾千萬只到幾億只我國已初步建立了敏感元件 和傳感器產(chǎn)業(yè)但與發(fā)達(dá)國家還有很大差距

11、11全國已有2000多家單位從事傳感器的 研制生產(chǎn)和應(yīng)用工作目前我國正準(zhǔn)備執(zhí)行十二五計(jì)劃新型靈敏傳感器也列 入研究開發(fā)的重點(diǎn)預(yù)計(jì)到十二五規(guī)劃結(jié)束時(shí)期敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量 有望達(dá)n20億只 在眾多的傳感器中電渦流位移傳感器具有頻率相應(yīng)寬結(jié)構(gòu)簡單靈敏度高 測量線性范圍大抗干擾能力強(qiáng)以及非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)它是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ) 是通過對處于探頭線圈形成的電磁場中的被測體 必須為金屬導(dǎo)體 及其周圍空間區(qū) 域列出麥克斯韋方程及邊界條件然后進(jìn)行求解以確定探頭線圈阻抗特性 或感應(yīng) 電壓 的變化與被測體各影響因素之間的關(guān)系它被廣泛應(yīng)用在國防工業(yè)醫(yī)學(xué) 航空航天等眾多領(lǐng)域是傳感器家族中極為重要的一部分21大

12、量電渦流傳感器每年 被生產(chǎn)出來并投入使用卻沒有與之相配套的電渦流位移傳感器的自動(dòng)標(biāo)定裝置從 工作量上這無疑是一個(gè)巨大的人力資源和勞動(dòng)時(shí)間的浪費(fèi)采用人工實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行靜 態(tài)標(biāo)定從操作上不滿足便捷性要求而所獲得的結(jié)果又很難滿足精確性要求所以 工程應(yīng)用急需電渦流位移傳感器靜態(tài)標(biāo)定裝置的產(chǎn)生 遠(yuǎn)東測振 北京 系統(tǒng)工程有限公司是主要生產(chǎn)振動(dòng)傳感器的國有企業(yè)其中也 大量生產(chǎn)各種型號的電渦流傳感器電渦流傳感器作為一種比較靈敏的位移傳感器 其主要工作性能和質(zhì)量控制指標(biāo)是檢測精度和工作穩(wěn)定性而目前該廠的電渦流傳感 器出廠檢測和標(biāo)定全是由人工來進(jìn)行將需要檢測和標(biāo)定電渦流傳感器固定自制的靜 態(tài)標(biāo)定上向電渦流傳感器供電

13、通過靜標(biāo)臺(tái)上用外徑千分尺改造的位移機(jī)構(gòu)手動(dòng) 使靜標(biāo)臺(tái)上的動(dòng)盤軸向移動(dòng)使動(dòng)盤相對電渦流傳感器探頭之間的距離發(fā)生變化并 用電壓表測量其信號輸出端的電壓變化操作者觀察外徑干分尺轉(zhuǎn)過的刻度按照一 北京化丁大學(xué)碩士論文 定的間隔記錄對應(yīng)的電壓輸出將所讀到的位移刻度值與輸出信號值對應(yīng)起來通過 手工繪圖獲得該電渦流傳感器的標(biāo)定曲線由于這種檢測方法中輸入位移和輸出信號 都是靠人工讀取這樣就不可避免地會(huì)存在人為誤差而且測點(diǎn)少得到的靜態(tài)標(biāo)定 曲線誤差大不能完全反應(yīng)傳感器特性只能獲得線性工作段的曲線不能完全了解 電渦流傳感器在整個(gè)工作過程當(dāng)中的特性 所以研制一套實(shí)用的精確的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的需求越來越迫切這樣操作者只

14、要安裝需要標(biāo)定的電渦流傳感器然后點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕就可以自動(dòng)完成整個(gè)標(biāo)定 工作并得到準(zhǔn)確的標(biāo)定曲線 12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代測量控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展傳感技術(shù)越來越受到人們的重視特別 是近幾年來隨著生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生理生態(tài)科學(xué)的需要開發(fā)了一大批各種 用途的傳感器就被測變量而言從最早的熱工量電工量逐步擴(kuò)展到機(jī)械量成分 量狀態(tài)量后至今已深入到生化量以及模仿人的五官感覺的檢測31在檢測技 術(shù)上從模擬量數(shù)字量的檢測發(fā)展到數(shù)模混合測量與信息處理相結(jié)合的技術(shù)在 檢測方法上從單參數(shù)過渡到多參數(shù)掃描以至向二維圖像及三維物體識(shí)別的測量方 向發(fā)展在測量特點(diǎn)上從靜態(tài)接觸式發(fā)展到動(dòng)態(tài)非接觸式檢測可以預(yù)言傳感器 將在生

15、產(chǎn)自動(dòng)化資源開發(fā)節(jié)約能源環(huán)境保護(hù)醫(yī)療衛(wèi)生災(zāi)害預(yù)測安全防范 等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 欲使測量結(jié)果具有普遍的科學(xué)意義傳感器應(yīng)當(dāng)是經(jīng)過檢驗(yàn)的任何傳感器在制 造和裝配完成后都應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行一系列的嚴(yán)格試驗(yàn)以確定其實(shí)際的工作 特性傳感器在使用一段時(shí)間后 根據(jù)中國計(jì)量院規(guī)定為一年 或經(jīng)過維修之后也 必須對其工作特性進(jìn)行重新標(biāo)定和校準(zhǔn) 傳感器標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩大類靜態(tài)標(biāo)定是為了確定傳感器 或傳 感系統(tǒng) 的靜態(tài)特性指標(biāo)如線性度靈敏度遲滯和重復(fù)性等動(dòng)態(tài)標(biāo)定則主要是 檢驗(yàn)測試傳感器 或傳感系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)工作特性如頻率響應(yīng)時(shí)間常數(shù)固有頻 率和阻尼比等4j 傳感器的標(biāo)定方法是以一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值

16、如一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)力壓 力扭矩位移等 作為度量的尺子輸入到待標(biāo)定的傳感器中得到傳感器的輸出 量然后通過數(shù)字方法確定標(biāo)定工作 標(biāo)定曲線 并進(jìn)行比較和數(shù)據(jù)處理后就 可以求得輸入與輸出之間的相應(yīng)關(guān)系和其精確度對于靜態(tài)標(biāo)定來講就是將原始基 準(zhǔn)器或比被標(biāo)定傳感器精度高的各級標(biāo)準(zhǔn)器或已知輸入源作用于被校傳感器得到 傳感器的激勵(lì)一響應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)操作對傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)一般應(yīng)在全量程范圍內(nèi) 均勻地取定5個(gè)或5個(gè)以上的標(biāo)定點(diǎn) 包括零點(diǎn) 從零點(diǎn)開始由低至高逐次輸入 2 第一 镕镕 預(yù)定的標(biāo)定值此稱標(biāo)定的正行程然后再倒序由高至低依次輸入預(yù)定的標(biāo)定值 直至返回零點(diǎn)此稱反行程并按技術(shù)要求將以上操作重復(fù)若干次記錄下相應(yīng)的 響

17、應(yīng)一激勵(lì)關(guān)系 標(biāo)定的主要作用是 i 確定傳感器的輸出一輸入關(guān)系賦予傳感器分度值 2 確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo) 3 消除系統(tǒng)誤差改善傳感器的正確度 在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展成熟之前國內(nèi)外的傳感器靜態(tài)或動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)都是采用手工 標(biāo)定測量點(diǎn)較少得到的標(biāo)定曲線精確度低隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā) 展越來越多的傳感囂自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)開始出現(xiàn)比如加速度傳感器頻響的自動(dòng)標(biāo)定 壓力傳感器自動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定溫度傳感器自動(dòng)標(biāo)定電渦流式位移傳感器低溫標(biāo)定等系 統(tǒng)5一 本文重點(diǎn)研究電渦流位移傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)目前國內(nèi)外生產(chǎn)電渦流傳感器的 廠家大多還是依靠人工手動(dòng)標(biāo)定方法完成的電渦流位移傳感器的手動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定技術(shù) 已經(jīng)比較成熟其標(biāo)定裝

18、置主要結(jié)構(gòu)包括傳感器探頭安裝支架動(dòng)態(tài)測試盤外徑 千分尺測量電路直流穩(wěn)壓電源和數(shù)字電壓表如圖l_l所示 圖1-1電渦流傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng) staticcalibration system fi91-ieddycurrent四r 手動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定方法將被校準(zhǔn)傳感器固定在支架上并將傳感器輸出接到測量電 路中測量電路由穩(wěn)壓電源供電輸出電壓用數(shù)字電壓表記錄動(dòng)態(tài)測試盤與外徑千 分尺連接旋動(dòng)千分尺動(dòng)態(tài)測試盤和傳感器之問便有相對位移測試時(shí)動(dòng)態(tài)測試 盤和傳感器探頭端面接觸此時(shí)位置為fo然后反轉(zhuǎn)千分尺記下不同的瑚時(shí)的電 壓讀數(shù)根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)可作出傳感器的u-d寺-性曲線根據(jù)所測數(shù)據(jù)和lh特性 曲線可阻確定線性測量范

19、圍線性和靈敏度等傳感器重要特性參數(shù) 北京化工大學(xué)碩士論文 在手動(dòng)標(biāo)定過程中由于操作人員讀數(shù)的誤差體力和心理上的疲憊等人為因素 不可避免的會(huì)出現(xiàn)結(jié)果的偏差所以研制自動(dòng)的精確的標(biāo)定系統(tǒng)有著很大的現(xiàn)實(shí)意 義 近幾年也出現(xiàn)了多種電渦流位移傳感器自動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)最早出現(xiàn)的自動(dòng)標(biāo) 定系統(tǒng)的特點(diǎn)是標(biāo)定系統(tǒng)是由位移模擬機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集和信號處理部分組成標(biāo)定 系統(tǒng)中有自動(dòng)化的模塊一般都是電壓信號測量和采集的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)然后進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理而位移模擬機(jī)構(gòu)還是人工給定_沒有實(shí)現(xiàn)整體全面的自動(dòng)化隨著自動(dòng)標(biāo)定 系統(tǒng)進(jìn)一步的研究位移給定機(jī)構(gòu)也出現(xiàn)了由步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)千分尺通過從上位機(jī) 發(fā)送脈沖數(shù)控制千分尺移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)位移測量8雖然這

20、種方法實(shí)現(xiàn)了位移給定的自動(dòng) 化但是采用的是開環(huán)控制也就是在控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候完全的以為步進(jìn)電 機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)和給定步數(shù)一致并沒有反饋控制等環(huán)節(jié)但是步進(jìn)電機(jī)有其自 身無法克服的缺點(diǎn)即步進(jìn)電機(jī)會(huì)常常出現(xiàn)失步的現(xiàn)象在目前的技術(shù)條件下失步 現(xiàn)象還無法完全避免所以控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)并不是嚴(yán)格與電機(jī)實(shí)際走過的位 移吻合91 現(xiàn)有的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)在上位機(jī)數(shù)據(jù)處理方面即標(biāo)定結(jié)果的數(shù)據(jù)處理技術(shù)還很不 完善只是簡單的將測量結(jié)果通過連接相鄰測點(diǎn)得的直線來模擬靜態(tài)標(biāo)定曲線也沒 有對電渦流傳感器靜態(tài)特性進(jìn)行詳細(xì)分析還是需要通過人工來計(jì)算各個(gè)靜態(tài)參數(shù) 沒有實(shí)現(xiàn)完全的程序化這樣對標(biāo)定工作來講不但浪費(fèi)了時(shí)間而且人工計(jì)算

21、遠(yuǎn)遠(yuǎn) 比計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)麻煩而且也容易出錯(cuò) 為了解決上述電渦流傳感器自動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)現(xiàn)存的問題本課題在以下三個(gè)方 面進(jìn)行了改進(jìn) 1 實(shí)現(xiàn)了位移自動(dòng)給定模塊的半自動(dòng)化控制具體做法是在步進(jìn)電機(jī)后面 同軸連接一個(gè)增量式編碼器所謂編碼器就是把轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出的 一個(gè)測量元件lo這樣的話編碼器可以與步進(jìn)電機(jī)完全同步的運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)測得步 進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的角度值解決了步進(jìn)電機(jī)失步帶來的問題也大大提高了標(biāo)定結(jié)果 的精確度 2 對標(biāo)定曲線進(jìn)行擬合方法評價(jià)根據(jù)測點(diǎn)的具體情況采用直線擬合通 過對多種直線擬合方法進(jìn)行評價(jià)比較得到了最適合電渦流位移傳感器的最小二乘直 線擬合方法進(jìn)行此種直線擬合之后一方面提高了測量

22、精度另一方面也使測量結(jié) 果更加線性化 3 丌發(fā)出了靜態(tài)特性分析模塊通過采集多點(diǎn)測量數(shù)據(jù)更好的反應(yīng)傳感器 的特性然后借助于vb語言強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能編制出專門針對各種型號電渦流 位移傳感器的靜態(tài)分析模塊這樣在每次標(biāo)定結(jié)束之后只需通過點(diǎn)擊靜態(tài)特性 按鈕就可出現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)的具體數(shù)值方便檢測人員分析被校傳感器是否符合使用要 求對傳感器的進(jìn)一步改造也有非常大的意義 4 第一章緒論 13論文主要研究內(nèi)容與目標(biāo) 本課題采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)化再通過單 片機(jī)數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定結(jié)果的精確化 論文主要研究的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面 1 電渦流位移傳感器靜標(biāo)定系統(tǒng)總體方案設(shè)

23、計(jì)包括整個(gè)系統(tǒng)功能模塊的劃 分硬件設(shè)備的選擇和配備以及軟件的設(shè)計(jì)和編程等 2 在原有的靜態(tài)標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增添可控制元件實(shí)現(xiàn)位移給 定自動(dòng)化 3 下位機(jī)信號采集模塊的研究試驗(yàn) 4 上位機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)通訊問題 5 上位人機(jī)界面的設(shè)計(jì)使工作人員可以通過簡單的操作窗口來進(jìn)行標(biāo)定工 作 6 對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行直線擬合得到所有的靜態(tài)標(biāo) 定結(jié)果 研制出的電渦流位移傳感器自動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)是結(jié)合上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng) 準(zhǔn)確的完成電渦流位移傳感器的自動(dòng)標(biāo)定工作 第一下位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能 1 接收來自上位機(jī)的信號包括啟動(dòng)停止和采集點(diǎn)數(shù)等信號 2 對采集到的電壓位移這些模擬量進(jìn)行

24、數(shù)字化處理供上位機(jī)讀取 3 根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的采集點(diǎn)數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送標(biāo)定位移和對應(yīng)電壓值 第二上位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能 1 實(shí)現(xiàn)不同型號電渦流傳感器的自動(dòng)標(biāo)定 2 可以根據(jù)編號查詢已標(biāo)定傳感器的全部標(biāo)定參數(shù) 3 可以根據(jù)編號將已標(biāo)定傳感器的全部標(biāo)定參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫 4 可以準(zhǔn)確的得到所標(biāo)定傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)及線性工作區(qū) 5 隨時(shí)查詢已存入的傳感器歷史標(biāo)定參數(shù) 6 將傳感器標(biāo)定參數(shù)制作成報(bào)表并打印輸出 14論文章節(jié)安排 全文分為八章 第一章緒論介紹了論文的科研背景論述了電渦流自動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定技術(shù)的重要 性以及論文研究的意義和主要工作 北京化工大學(xué)碩士論文 第二章位移傳感器概述介紹了位移傳感器的主要分類重點(diǎn)

25、介紹了電渦流傳 感器的結(jié)構(gòu)工作原理和應(yīng)用 第三章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)給出了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)各個(gè)部分的功能和要做 的具體工作 第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)對組成各功能模塊和關(guān)鍵接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析 第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對系統(tǒng)整體的程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析具體研究上位機(jī)和下 位機(jī)各個(gè)功能模塊的程序設(shè)計(jì)最后建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 第六章基于vb人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)首先對設(shè)計(jì)此界面的需求進(jìn)行分析然 后具體對各個(gè)界面進(jìn)行說明并有非常詳細(xì)的幫助系統(tǒng) 第七章位移傳感器靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果分析與研究首先對傳感器的各種靜態(tài)特性 線性段擬合直線進(jìn)行分析然后用計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行精確分析 第八章論文總結(jié)與展望對全文進(jìn)行概括性的總結(jié)并提出了有待進(jìn)一步

26、研究 和解決的問題 15本章小結(jié) 電渦流位移傳感器是一種比較靈敏的傳感器其工作特性參數(shù)和標(biāo)定工作對于傳 感器的使用有非常大的影響而目前的電渦流傳感器生產(chǎn)廠家進(jìn)行檢測和標(biāo)定的手段 都是采用人工來進(jìn)行勢必會(huì)出現(xiàn)很多人為誤差本課題研究將對目前靜標(biāo)臺(tái)進(jìn)行設(shè) 計(jì)改造增加輔助位移給定和位移測量機(jī)構(gòu)再借助單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技 術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)自動(dòng)化 6 第二章位移傳感器概述 第二章位移傳感器概述 21位移傳感器簡介 位移是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過程中的移動(dòng)有關(guān)的量位移的測量方式所涉及的范 圍是相當(dāng)廣泛的位移傳感器又稱為線性傳感器是用來檢測位移距離大小位 置角度等幾何量的傳感器在測量過程中是通過把位移信

27、號轉(zhuǎn)換為電信號來進(jìn) 行測量的也有許多被測物理量 例如壓力流量加速度等 常常需要先變換為位移 量然后再將位移量變換成電量因此位移傳感器是一類重要的基本傳感器 在生產(chǎn)測量過程中位移檢測一般有實(shí)物測量和機(jī)械位移測量兩種情況機(jī)械位 移測量又分為線位移測量和角位移測量根據(jù)傳感器的輸出信號進(jìn)行劃分位移傳感 器包括模擬式和數(shù)字式模擬式位移傳感器包括電位器式電渦流式電阻應(yīng)變式 電容式霍爾器件式微波式超聲式電感式光電式位移傳感器等類型數(shù)字式 位移傳感器包括磁柵式光柵式感應(yīng)同步器式位移傳感器等類型111 與其他類型的位移傳感器相比電渦流位移傳感器具有長期工作可靠性好測量 范圍寬靈敏度高分辨率高響應(yīng)速度快抗干擾能力

28、強(qiáng)不受油污影響結(jié)構(gòu)簡 21 單等優(yōu)點(diǎn)因此目前已廣泛應(yīng)用于建筑冶金輕工工程動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域中l(wèi) 22電渦流位移傳感器的組成結(jié)構(gòu) 電渦流傳感器分為三大部分探頭線圈延伸電纜和前置器如圖21所示 圖2-1電渦流傳感器組成13 2-1the of currentsensor fig compositioneddy 電渦流傳感器在檢測時(shí)必須配以被測導(dǎo)體才可以進(jìn)行測量傳感器探頭線圈是 7 北京化工大學(xué)碩士論文 通過與被測導(dǎo)體之間的相互作用從而產(chǎn)生被測信號的部分它是由多股漆包銅線繞 制的一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成線圈框架的材料是聚四氟乙烯具有功耗小 電性能好熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)延伸電纜采用耐高溫的射頻電纜其作用

29、就是連接 前端的傳感器探頭和后端的前置器前置器是一個(gè)能屏蔽外界干擾信號的金屬盒子 測量電路完全裝在前置器中并用環(huán)氧樹脂灌封前置器的外殼上有三個(gè)端子分別 為電源端公共端和輸出端一個(gè)接頭與電纜相連另外傳感器探頭線圈不是裸露在 外的而是裝在傳感器殼體內(nèi)它用于固定傳感器的頭部并作為測試時(shí)的裝夾結(jié)構(gòu) 一般由不銹鋼制成 23電渦流位移傳感器的工作原理 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁 力線運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流這種電流像水中的漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈 所以稱之為電渦流或渦流這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)114電渦流傳感器就是利用上述 的渦流效應(yīng)而制成它用來將一些非電量轉(zhuǎn)換為阻

30、抗的變化 或電感的變化q值的 變化 從而進(jìn)行非電量的測量 前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦 交變電流fl時(shí)線圈周圍空間就會(huì)產(chǎn)生正弦交變磁場凰當(dāng)被測金屬體靠近這一磁場 時(shí)金屬表面就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流即電渦流如圖22所示 圖22電渦流傳感器工作原理 2-2the of currentsensor fig principleeddy 與此同時(shí)該電渦流場也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場日2這種反 作用力力圖削弱兩使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變 線圈的有效阻抗 第二章位移傳感器概述 其變化程度決定于金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率小電阻率隊(duì)電流頻率co尺寸因子r以及頭部

31、線 圈到金屬導(dǎo)體表面的距離x等參數(shù)有關(guān)通常情況下假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻而且 其性能也是線性和各項(xiàng)同性則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)就與金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo) 嘞電阻率隊(duì)電流頻率co尺寸因子r電流強(qiáng)度f和頭部線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離 群參數(shù)來描述則線圈特征阻抗可用撕rf功函數(shù)來表示通?？梢?做到控制pcoff這幾個(gè)參數(shù)使其在一定范圍內(nèi)不變那么線圈的特征阻抗z 就成為距離x的單值函數(shù)雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的其函數(shù)特征為s型曲線 但可以選取它近似為線性的一段l副于此通過前置器電子線路的處理將線圈阻抗 z的變化即頭部線圈與金屬導(dǎo)體的距離x的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出信號 的大小隨探頭到被測體表面之間的間距

32、而變化電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn) 對金屬物體的位移振動(dòng)等參數(shù)的測量 要形成渦流必須具備兩個(gè)條件第一個(gè)條件是必須存在交變磁場第二個(gè)條件 就是導(dǎo)電體要處于交變磁場之中l(wèi)引電渦流傳感器具體工作過程是當(dāng)被測體與探頭 之問的距離z發(fā)生變化時(shí)探頭線圈的品質(zhì)因數(shù)q值也發(fā)生變化q值的變化引起振蕩 電壓的變化振蕩電壓經(jīng)過檢波濾波線性補(bǔ)償放大歸一化處理轉(zhuǎn)化成電壓 電 流 變化最終完成位移到電壓的轉(zhuǎn)換由上所述電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測體 可看作傳感器系統(tǒng)的一半即一個(gè)電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān)l 24電渦流位移傳感器等效電路分析 首先把在被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)這樣簡化之后的模型如 圖23

33、所示 導(dǎo)體 重 么舊2吃 枷 凼 線圈 薹 圖23電渦流傳感器簡化模型 the modelof current 2-3 sensor fig equivalenteddy 圖23中rf短路環(huán)等效內(nèi)半徑fa短路環(huán)等效外半徑傳感 器線圈外半徑h電渦流貫穿深度 cm 9 北京化工大學(xué)碩士論文 可以把可以把被測體看作是一個(gè)短路線圈它與探頭線圈磁性相連根據(jù)變壓器 的原理把探頭線圈看成變壓器原邊被測體中渦流電路看成副邊即可得到電渦流 傳感器的等效電路181如圖24所示 m 7 盛器 圖2-4電渦流傳感器等效電路 2-4the circuitof currentsensor fig equivalented

34、dy 假定傳感器探頭線圈原有電阻為尺l電感為三l則其復(fù)阻抗為 zl rij2fli 2-1 當(dāng)有被測導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)則成為一個(gè)耦合電感探頭線圈與被測體間的 存在一個(gè)互感系數(shù)m互感系數(shù)隨著線圈與被測體之間距離的減小而增大短路環(huán)可 以看作是一匝短路線圈電阻為r2電感為厶以為高頻激勵(lì)電壓根據(jù)克?；舴螂?壓平衡方程式可得到 厶0厶2睜一厶學(xué)班一 2-2 一iij2nfm厶r-12j2nfl2 0 解方程組 22 可得到j(luò)和j為 由t的表達(dá)式可算出探頭線圈受到被測體影響后的等效阻抗為 z 和囂器w2觀一囂券2礬協(xié)4 從而得到探頭線圈的等效電阻和等效電感分別為 10 第二章位移傳感器概述 落 由于電渦

35、流的作用探頭線圈阻抗從原來的zo r_2硯變?yōu)閦比較而和z 可知渦流影響的結(jié)果使阻抗的實(shí)數(shù)部分增大虛數(shù)部分減小由于被測體上電渦流產(chǎn) 生熱量而消耗能量從而探頭線圈的品質(zhì)因數(shù)q也減小由 2-4 式簡化后可得到探 頭線圈的品質(zhì)因數(shù)q為 1一_厶 2af f2m一2 厶 z 1ir2_ 2af 廣2m2 墨 z 妒2akll 2af一 2af 2m l2 q 式中qo無渦流影響下探頭線圈的品質(zhì)因數(shù)q值q0 號爭 z2金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流的圓環(huán)部分的阻抗z 礙 27fl2 2 由上可知被測體與探頭線圈之間距離x的變化既能引起線圈阻抗z變化也 能引起線圈電感和線圈q值變化所以渦流傳感器所用的轉(zhuǎn)換電路可以選用

36、z 和q中的任何一個(gè)參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為電量即可達(dá)到測量的目的 這樣金屬導(dǎo)體的電阻率p磁導(dǎo)率小線圈與金屬導(dǎo)體的距離石以及線圈激勵(lì) 電流的頻率廠等參數(shù)都將通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生聯(lián)系也就是說 線圈阻抗z是這些參數(shù)的函數(shù)可寫成 z f p工廠 27 由于電渦流傳感器是用來測定距離的則令pla和廠為一恒值阻抗z僅是z 的函數(shù)即 z f x 28 25電渦流傳感器的應(yīng)用 電渦流傳感器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力石油化工冶金等行業(yè)和一些科研單位 對汽輪機(jī)水輪機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)空分機(jī)齒輪箱大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械 軸的徑向振動(dòng)軸向位移鍵相器軸轉(zhuǎn)速脹差偏心以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零 91 件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測量和保護(hù)

37、1 北京化工大學(xué)碩士論文 251測位移 電渦流最主要的用途之一就是進(jìn)行位移量的測量凡是可轉(zhuǎn)換成位移量的參數(shù)都 可用電渦流傳感器來測量如汽車主軸的軸向竄動(dòng)金屬材料的熱膨脹系數(shù)鋼水液 位紗線張力流體壓力等 252測振動(dòng) 電渦流傳感器以其非接觸測量頻響寬不受油污等介質(zhì)影響的優(yōu)點(diǎn)可以用來 進(jìn)行測量汽輪機(jī)空氣壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸的徑向運(yùn)動(dòng)也可以用于測量汽輪機(jī)葉片的振 幅在研究軸的振動(dòng)時(shí)常需要了解軸的振動(dòng)情況做出振型圖這時(shí)可以用多個(gè)傳 感器并排安置在軸側(cè) 如圖25 用多通道指示儀輸出至記錄儀當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)可獲 得每個(gè)傳感器各點(diǎn)的瞬間振幅值從而畫出軸振型圖 圖2-5軸振型圖的測量 2-5themeasurementofaxismode fig shapes 253測轉(zhuǎn)速 對于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn) 轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測量沒法比 的它既能響應(yīng)零轉(zhuǎn)速也能響應(yīng)高轉(zhuǎn)速對于被測體轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置要求也很 低被測體齒輪數(shù)可以很小被測體也可以是一個(gè)很小的孔眼一個(gè)凸鍵一個(gè)小的 頭轉(zhuǎn)速測量頻響為0-10khz電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號幅值較高 在低速和高速整個(gè)范圍內(nèi) 抗干擾能力強(qiáng) 一般情況下電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的方法是在旋轉(zhuǎn)體上加工或加裝一個(gè)如圖