電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電渦流式傳感器傳感器是現(xiàn)代檢測(cè)和控制裝置的重要組成部分，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的地位越來越重要。各類傳感器的研制、推廣和使用飛速發(fā)展，作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感器技術(shù)將是二十一世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，人們通常把將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)的裝置叫做傳感器。電渦流式傳感器是建立在渦流效應(yīng)原理上的一種傳感器。利用它可以把距離的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而做成位移、振幅、厚度等傳感器；也可以利用它把電阻率的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，做成表面溫度、電介質(zhì)的濃度等傳感器；還可以利用它把磁導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，做成應(yīng)力、硬度等傳感器。電渦流式傳

2、感器能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量，而且還具有測(cè)量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解電渦流式傳感器的工作原理。2掌握靜態(tài)標(biāo)定的方法，了解被測(cè)材料對(duì)電渦流式傳感器特性的影響。3掌握電渦流傳感器測(cè)量振幅的方法圖6.2-2 電渦流傳感器工作原理I14了解由電渦流式傳感器組成的電子稱的標(biāo)定和測(cè)量方法。【實(shí)驗(yàn)原理】1電渦流式傳感器工作原理電渦流傳感器有高頻反射式和低頻透射式兩種，高頻反射式應(yīng)用較廣。本實(shí)驗(yàn)使用高頻反射式。如圖6.2-2所示，在一金屬導(dǎo)體上方放置一個(gè)線圈，當(dāng)線圈中通入交變電流I1時(shí)，線圈的周圍空

3、間就產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)H1，則金屬導(dǎo)體中將產(chǎn)生感生電流I2，由于I2呈圖6.2-3 等效電路R2UL1L2R1I1I2M渦旋狀，故稱為電渦流。而此電渦流將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2，它的方向與磁場(chǎng)H1方向相反，由于磁場(chǎng)H2的反作用使導(dǎo)電線圈的電感量、阻抗及品質(zhì)因數(shù)等發(fā)生變化，這些參數(shù)變化量的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、激勵(lì)電流以及線圈與金屬導(dǎo)體間的距離等有關(guān)。限制其中其它參數(shù)不變，只讓其中某一個(gè)參數(shù)變化，就構(gòu)成了測(cè)量該參數(shù)的傳感器。渦流效應(yīng)可等效為如圖6.2-3所示的等效電路。圖中，R1和L1為傳感器線圈的電阻和電感，R2和L2為金屬導(dǎo)體等效的電阻和電感，各自的電流為I1、I2 ，U為激勵(lì)電壓

4、，M為互感系數(shù)。根據(jù)基爾霍夫定律可以寫出方程以上兩式聯(lián)立解得傳感線圈中的電流為上式的分母即為線圈受渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)H2影響后的阻抗其中，線圈等效電阻 線圈等效電抗 由此可算出線圈的品質(zhì)因數(shù) 而無渦流效應(yīng)時(shí)線圈的品質(zhì)因數(shù)為 Q=。可見，R、L、Q均為M的函數(shù)。而互感系數(shù)M決定于線圈靠近金屬導(dǎo)體的程度，隨著線圈與金屬導(dǎo)體離得越近，互感M值越大，渦流效應(yīng)引起上述參數(shù)的變化也越大，表現(xiàn)為渦流損耗的功率增大，線圈回路的Q值降低。電渦流傳感器的基本原理就是將傳感器與被測(cè)體間的距離轉(zhuǎn)換為傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q值、等效阻抗Z及等效電感L三個(gè)參量，并用相應(yīng)的測(cè)量電路來測(cè)量。2電渦流傳感器的測(cè)量電路本實(shí)驗(yàn)中電渦流傳感器

5、的測(cè)量電路采用定頻調(diào)幅式測(cè)量電路。測(cè)量電路中提供一個(gè)穩(wěn)定性很高的振蕩信號(hào)，它是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生，其頻率一般選在1MHz2MHz。通常采用一個(gè)電容C與電渦流線圈L并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為傳感器線圈作為振蕩回路的一個(gè)電感元件與電容構(gòu)成基本電路單元。振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)電阻R加到傳感器上。其作用是將位移變化引起的振蕩回路阻抗的變化轉(zhuǎn)化為高頻載波信號(hào)的幅度變化。當(dāng)沒有被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，使諧振回路產(chǎn)生諧振，回路諧振頻率為0，當(dāng)與被測(cè)導(dǎo)體接近時(shí)，回路將失諧，使回路Q值降低，振蕩幅值下降，也發(fā)生變化。阻抗Z也發(fā)生變化。傳感器LC回路的阻抗變化既反映了電感的變化，又反映了Q值變化。發(fā)生諧振時(shí)回路的等效

6、阻抗最大。此時(shí)阻抗最高，對(duì)應(yīng)的輸出電壓U0最大。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，電感線圈L感應(yīng)的高頻電磁場(chǎng)作用于被測(cè)導(dǎo)體，由表面的渦流反射作用，使電感量L變小，導(dǎo)致回路失諧，回路的等效阻抗相應(yīng)減小，對(duì)應(yīng)的輸出電壓U值減少。因此通過對(duì)輸出電壓的測(cè)量，就可以確定距離x的大小。實(shí)際上，參數(shù)R、L、Q均是M的非線性函數(shù)，即與距離x呈非線性關(guān)系。但在某一小范圍內(nèi)可以將這些函數(shù)關(guān)系近似地用線性函數(shù)表示，即電渦流位移傳感器只能在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系?？梢杂秒姕u流傳感器在這段線性范圍內(nèi)測(cè)量位移、振幅等物理量。圖6.2-4 靜態(tài)標(biāo)定接線圖【實(shí)驗(yàn)儀器】CSY10系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀、雙蹤示波器等?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1電渦流

7、傳感器的靜態(tài)標(biāo)定（1）選擇實(shí)驗(yàn)所需部件：電渦流傳感器、渦流變換器、螺旋測(cè)微儀、電壓表。（2）按圖6.2-4連接電路，安裝好電渦流線圈與金屬片，注意兩者必須保持平行，安裝好測(cè)微儀，將電渦流線圈接入渦流變換器輸入端。渦流變換器輸出端接電壓頻率表20V檔。（3）開啟主機(jī)電源與副電源，用測(cè)微儀帶動(dòng)渦流片移動(dòng)，當(dāng)渦流片完全緊貼線圈時(shí)輸出電壓應(yīng)為零（可適當(dāng)改變支架中的線圈角度，若不為零記下零點(diǎn)偏移量） 。然后旋動(dòng)測(cè)微儀使渦流片離開線圈，從電壓表有讀數(shù)時(shí)每隔0.5mm記錄一個(gè)電壓值，共記約14組數(shù)據(jù)。將U、x數(shù)值填入自己設(shè)計(jì)的表格內(nèi)，作出Ux曲線，指出線性范圍，求出靈敏度。（4）將示波器接渦流變換器輸入端口

8、，觀察電渦流傳感器的激勵(lì)信號(hào)頻率，隨著線圈與電渦流片距離的變化，信號(hào)幅度也發(fā)生變化，當(dāng)渦流片緊貼線圈時(shí)電路停振，輸出為零。2比較不同被測(cè)材料對(duì)電渦流傳感器特性的影響電渦流傳感器中線圈僅是傳感器的一個(gè)組成部分，而另一部分則是被測(cè)導(dǎo)體，因此線圈阻抗的變化還與被測(cè)導(dǎo)體的材料、形狀、大小有關(guān)。一般情況下，被測(cè)體導(dǎo)電率越高，靈敏度越高，在相同的量程下，其線性范圍越寬。此外被測(cè)體的形狀和大小對(duì)測(cè)量也有影響。當(dāng)被測(cè)體的面積比傳感器線圈面積大很多時(shí)，傳感器靈敏度基本不發(fā)生變化；當(dāng)被測(cè)體面積為傳感器一半時(shí)，其靈敏度減少一半；更小時(shí)，靈敏度則顯著減小。因此需對(duì)不同的被測(cè)材料分別進(jìn)行標(biāo)定。（1）按內(nèi)容1的要求分別對(duì)

9、鐵、銅、鋁渦流片進(jìn)行測(cè)試與標(biāo)定，記錄數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)上作出Ux曲線。圖6.2-5 振幅測(cè)量接線圖（2）分別找出不同材料被測(cè)體的線性工作范圍、靈敏度、最佳工作點(diǎn)，進(jìn)行比較并做出定性的結(jié)論。3振幅測(cè)量（1）選擇所需部件：電渦流傳感器、渦流變換器、直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動(dòng)放大器、激振器I、低頻振蕩器等，按圖6.2-5接線。（2）差動(dòng)放大器調(diào)零。（3）換回被測(cè)鐵片，將測(cè)微頭旋至離開振動(dòng)臺(tái)，將電渦流傳感器的線圈安裝在與被測(cè)鐵片的最佳工作距離上（即線性區(qū)域的中點(diǎn)位置），利用差放和電橋電位器WD所組成的電平移動(dòng)電路將輸出電壓調(diào)節(jié)為零，此時(shí)振動(dòng)臺(tái)處于平衡位置。（4）移動(dòng)振動(dòng)臺(tái)至上、下偏離位置，觀察輸出電壓的變

10、化，若平衡位置恰為傳感器的最佳工作點(diǎn)上，則電壓的雙向指示值應(yīng)對(duì)稱，若不對(duì)稱需重新安裝傳感器線圈與被測(cè)鐵片的位置，尋找最佳工作點(diǎn)。（5）選好最佳工作點(diǎn)后，用雙蹤示波器的一個(gè)通道在A點(diǎn)觀察渦流傳感器的高頻振蕩波形，并測(cè)出其振蕩頻率。（6）將低頻振蕩器的低頻輸出信號(hào)接入激振器I，緩慢加大增益使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生適當(dāng)振幅的振動(dòng)，調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率范圍130Hz，觀察振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)狀態(tài)，記下共振頻率0。（7）再將示波器的另一個(gè)通道接入在B點(diǎn)觀察渦流變換器的輸出電壓波形，適當(dāng)調(diào)節(jié)低頻振蕩器的增益以保證輸出電壓波形不失真，用示波器測(cè)出Up-p值大小。（8）根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1的結(jié)果（即當(dāng)被測(cè)材料為鐵片時(shí)，對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定

11、所得的靈敏度Sn）估算出振動(dòng)臺(tái)振幅大小4電渦流傳感器組成的電子秤（1）按圖6.2-5接線，調(diào)節(jié)好差動(dòng)放大器的零點(diǎn)，將差放的輸出接電壓表20V檔。（2）調(diào)整電渦流傳感器的位置，使其處于線性范圍的起始處，調(diào)節(jié)電橋電位器WD使電壓表指示為零（調(diào)節(jié)好以后差放增益和WD均不可再動(dòng)）。（3）在振動(dòng)臺(tái)上逐步累加砝碼，記下相應(yīng)的砝碼重量W和輸出電壓U值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出UW曲線，找出線性區(qū)，計(jì)算出靈敏度（4）取下砝碼，在振動(dòng)臺(tái)上放一重量未知的物體，記下輸出電壓值Ux則該物體的重量為【注意事項(xiàng)】1振動(dòng)臺(tái)共振時(shí)，應(yīng)及時(shí)減小振蕩器增益，以免振動(dòng)臺(tái)振幅過大發(fā)生碰撞。2更換被測(cè)金屬片時(shí)，應(yīng)首先移開傳感器探頭（線圈）。3顯示儀表量程宜從高檔轉(zhuǎn)換到低檔，激勵(lì)信號(hào)幅度則應(yīng)從小到大。4渦流變換器輸入端接入示波器時(shí)由于一些示波器的輸入阻抗不高（包括探頭阻抗）以至影響線圈的阻抗，使輸出U變小，并造成初始位置附近的一段死區(qū)，將示波器探頭離開輸入端即可解決這個(gè)問題。5若換上銅、鋁和其他金屬渦流片，線