傳感器原理及應(yīng)用課程設(shè)計

1、傳感器原理及應(yīng)用課程設(shè)計題目：被測體材質(zhì)對電渦流傳感器的特影響實驗研究學(xué)生：趙玉洲號：20120841011086年級：2012級專業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師：李俊峰邯鄲學(xué)院機電學(xué)院2015年6月目錄工作原理二應(yīng)用三實驗設(shè)計方案四實驗結(jié)果與分析五結(jié)論電渦流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動時（與金屬是否塊狀無關(guān)，且切割不變化的磁場時無渦流），導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。PR3300電渦流傳感器的前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，

2、在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，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），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率日磁導(dǎo)率a尺寸因子小頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強度I和頻率參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F（r,己，6,D,I,畫數(shù)來表示。通常我們能做到控制r,6法幾個

3、參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個函數(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。于此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D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。工作過程當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移（問隙）轉(zhuǎn)換

4、成電壓（電流）。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，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān)。電渦流傳感器工作原理如圖所示按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其廣泛。相關(guān)產(chǎn)品PR3300系列電渦流傳感器是基于渦流效應(yīng)的原理制成的非接觸式位移傳感器，是目前國內(nèi)技術(shù)指標最高的電渦流傳感器之一。該傳感器由探頭、加長電纜、前置器組成，可用來測量旋轉(zhuǎn)機械軸的各種運

5、行狀態(tài)參數(shù)：如軸的徑向振動、軸向位移轉(zhuǎn)速、偏心、差脹等。電渦流傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，叢于進行非接觸式的連續(xù)測量.靈敏度較高，適用性強。它的阻抗受睹多因素影響.如金屬材料的厚度、尺寸、形狀、吧導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面因素、距離等。只要固定其他岡京就可以用電渦流傳感器來測量剩下的一個因素，岡此電渦流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域一E們泛。似鬧時包帶來許多不確定岡素.一個或幾個因素的微小變化就足以影響測量結(jié)果，所以電渦流傳感器多用于走件測量。即使要用作定量測量，也必須采用前面述及的逐點林定、計算機線性糾正、溫度補償?shù)却胧?。下血就幾個主要的應(yīng)用做簡單的介紹應(yīng)用1、位移的測量某些旋轉(zhuǎn)機械，如高速旋轉(zhuǎn)的氣輪機對軸向位移要求

6、很高。當氣輪機遠行叫,M片在高壓蒸氣候動F高速旋轉(zhuǎn)，它的主軸承受巨大的抽N惟力。若主抽的位移越過規(guī)定值時，葉片有nT能勺其他部件碰樟而斷裂。因此用屯渦流傳感器測量各種金屬1飛牛的微小位移量就顯得卜分至給。利用電渦流探頭4盯以洲旦諳AII氣輪機主軸的軸向位移、LU動機的軸向?qū)弰印⒛ゴ矒Q向閥、先尋閥的位移和金屬試件的熱膨脹系數(shù)等?；锬聹y量范判可以從高靈敏度的1mm到大量程的o3）mnb分辨率可達滿里程的o.1%,其缺點足線件皮稍差。只能達到1%GZXwY型吧渦流軸問位移監(jiān)測保護裝置可以在惡劣54-露F接觸測量利監(jiān)視旋轉(zhuǎn)機械的鈉向位移。軸向位移的收測如圖2的環(huán)境（如高溫、潮濕、劇烈振動等）杯設(shè)備停止

7、檢修時，將探頭安站在與聯(lián)軸器端四的距窩為2nun的茸應(yīng)Jm示值為塔口當氣輪機啟動后r長期檢測其輻向位移晝，出以發(fā)再69所小。露F接觸測量利監(jiān)視旋轉(zhuǎn)機械的鈉向位移。軸向位移的收測如圖杯設(shè)備停止檢修時，將探頭安站在與聯(lián)軸器端四的距離為2nun的基應(yīng)L,調(diào)節(jié)二次儀表使示值為塔。當氣輪機啟動后，長期檢測其軸向位移量。dj以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)于鈾向推力和軸承的磨損川使探頭J聯(lián)勸器端而的隊離5減小，二次儀表的輸出屯樂小零開嬌增大?？烧{(diào)整二次儀表去而上的報警設(shè)定位.使什移鑰電容達到危險值（本例中為o.9mm）叫，一次儀表發(fā)出報警信號；當位移量達到1.2mm時.發(fā)出停帆信號以避免發(fā)生事故。廣述測量屬于動態(tài)測量。原理還可

8、以將此類儀胎用于其他設(shè)備的監(jiān)測。電渦流傳感器DJ以元接觸地測量各種振動的振幅、頻譜分布等參數(shù)。在氣輪機、空氣壓縮機個常用電渦流傳感器來監(jiān)控主軸的徑向、軸向振動，也可以測量發(fā)電機渦流葉片的振幅。在研兜機器振動時，常常采用多個傳感器放置公機器不同部位進行檢測，得到各個部位的振幅值、相位值，從而畫出振則圖，測量方法如圖610所示。通常，由了機械振動是由多個不同頻率的振動合成的，所以其波形一般表爾正弦波，可以用頻譜分析儀來分析輸出信號的頻率分布，各對應(yīng)頻率的幅度。2、轉(zhuǎn)速的測量若旋轉(zhuǎn)體上已另：有一條或數(shù)條槽或做成齒狀，則可在旁邊安裝一個電渦流傳感器、如圖6-11所示。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，傳感器周期地改變著與

9、旋轉(zhuǎn)體表面之間的距離。于是它的輸出電壓也周期地發(fā)生變化，此脈沖http:/www.abc-電壓信號經(jīng)放大、變換后，可以用頻率汁測出其變化的重復(fù)頻率，從而測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)軸上仆：個槽（或齒）、頻率計的讀數(shù)為/（節(jié)仰為tlz）,則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/rnin）的計算公式為gg、坡層厚度測量用電渦流傳感器可以測量翅料友面金屆鍍層的厚度。以及印刷線路板銅箔的厚度等，如圖6-12所示：由于存在集隊效應(yīng)，鍍層或箔層越南，屯渦流越小。測量創(chuàng)，uJ先用電渦流側(cè)厚儀對標準的鍍層和銅箔作出“厚度一輸出電壓”的標定曲線.以便測量nd對照。3、電渦流式通道安全檢查門我國于1981年八始使用圖6NXP代理商監(jiān)所

10、示的汽/人口檢測系統(tǒng).可伶效地探測出槍支、b首等分屆武器反其他大件金屬物品。它廣泛府灼于機場、海關(guān)、錢幣J、版獄等層蟹場所。碟墨段二翼.使E.313監(jiān)人口償酬般3衿停此船二剿也不料全底鋤麻，號廣;乏而的于皿近海黃、線于J、版獄.1).指示燈2).隱蔽的金居導(dǎo)體3).內(nèi)藏式電渦流線圈4).X光及中了探測器處理系統(tǒng)L液晶彩顯該安全檢測門的原理如圖6-14所不。Ll、Lt2為發(fā)別線圈，均用環(huán)氧樹脂澆灌、密封在門框山。川kHz音頻信號現(xiàn)過L、L”在線圈周圍產(chǎn)生同頻率兇交變磁場。蜘、Ln實際廣分成6個扁平線園，分布/I門兩側(cè)的上、中、下部位.形成6個探測Ko因為Lil、L12與L2,、Ln互TI代理相垂

11、直.呈電氣正交狀態(tài)v無磁路交鏈刀。=o。在行合屆物體退過LLJ、L12形成的交變磁場HI時，交變磁場會在該金屬導(dǎo)體農(nóng)面，：牛電渦流。電渦流也將產(chǎn)生個新的微弱磁場H20認的相位與企屆導(dǎo)體位置、大小等有關(guān)，但與蜘l、I'n個再廠交。因此盯以在山、J中感應(yīng)出電壓。計算機根據(jù)感應(yīng)出電壓的大小、相位來判定企屆物體的大小。出于個人攜帶的H常用品，如皮帶扣、鑰匙華、眼鏡架、戒指、甚至斷腿個的鋼釘?shù)纫矔鹫`報警，因此計算機還要進行復(fù)雜的邏輯判斷，才能獲得既靈做義可靠、隙確納效果。目前多公文檢門的側(cè)面女裝一臺“軟X光”掃描儀。肖發(fā)現(xiàn)疑點時，可六功對人體、膠卷元音的低能量狹窄扇間X削線,進行斷向掃描。用

12、軟件處理的方法、合成先整的光學(xué)圖像，見圖513右邊顯示器上的示意圖。在更/“格的安檢中，還在安檢門的側(cè)面安置能量微弱的小于發(fā)射管、對可疑劉象開啟咳站置。讓個子穿過密討的行李也，利用質(zhì)譜儀來計算出行李物品的岔氮量，以及碳、氫的精確比例，從而判定是否為爆ATMEL代理炸品（氮含量較大）。計算共他化學(xué)元素的比例，還可以確認商品和共他物質(zhì)。利用電渦流傳感器可以檢企金屆表6f(已涂防銹漆)的裂紋以及焊接處的缺陷等。在探傷中，傳感器與被測導(dǎo)體保持距離個變。在檢測過程小，出于缺陷將引起導(dǎo)體電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，使電渦流J:變小，從們引起輸出電壓災(zāi)變。l弓I615是用心禍流探頭檢測高壓輸油管表面裂紋的不意圖。

13、兩只導(dǎo)向輾用耐磨、不導(dǎo)電的聚四氟乙烯制成.畝的表而還刻有螺旋導(dǎo)N槽.并以相同的方向旋轉(zhuǎn)。油管在它們的驅(qū)動廠，勻速地在楔形電yR流探頭L方做360”轉(zhuǎn)動，并向前挪動c探頭利油管表凹進行逐點掃描.得到閣616(a)的輸出信號。http:/www.ebv.hk當油管存在裂紋時.電混流所止的路程大為增加見聞6販(t)1,所以電渦流突然減小，輸61波形如圖616(n)小的“尖峰”歷示。該信號十分紊亂，用肉眼很難辨出缺陷性質(zhì)。該信號通過帶通濾波器，濾去表頂不平整、抖動等造成的輸出異常后，得到圖6l6(b)中的兩個尖峰信導(dǎo)。凋節(jié)電壓比較器的閥值電樂，得到真正的缺陷佰號。計算機還uJ以根據(jù)圖616(n)的信號

14、計算電渦流探頭TI代理商線圈的阻抗，得到闖616(c)所示的“8”寧此瓣狀阻抗圖。根據(jù)K期積累的探傷經(jīng)驗，可以從該復(fù)雜的阻抗圖中判斷r1裂紋的長短、深淺、走向等參數(shù)。圖小的黑色邊框為反視報警區(qū)。當“8”字花瓣狀圖形超山報警K時即視為超標，產(chǎn)生報警信號。電渦流探傷儀杯實際使出時會ATMEL代理商受到諳多因素的影響，如環(huán)境溫度變化、去15硬度、機械轉(zhuǎn)動不均勻、抖動等.用中個吧渦流探頭易受上述閱素影響，嚴重時無法分辨缺陷和裂紋，出此必須采用鼓動電路。在楔形屯渦流探頭的尖端部位設(shè)置發(fā)射線圈，在其上方的左、右兩側(cè)分別沒量一只接收線圈，它們的同名地相連，在沒有裂紋信旱時輸出廳相抵消。當裂紋進入左、省接受線

15、圖下力時，由于相位上有先后差別，所以信號無法抵消，j“生輸出電壓，這就是差動原理。溫漂、抖動等干擾通常是同時作用于兩只屯渦流差動線圈，所以不會產(chǎn)牛輸出信號。如果計算機采用“相關(guān)技術(shù)"，就能進步提高分辨力。上述系統(tǒng)的最大特點ATMEL是非接觸狽0量.不磨損探頭，儉測速度可達每秒幾米。劉機械系統(tǒng)稍做改造，還可以用于：軸類、滾了類的缺陷檢測。cjmc%ddz三實驗設(shè)計方案實驗二十二被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特性影響（一）、實驗?zāi)康模毫私獠煌谋粶y體材料對電渦流傳感器性能的影響。（二）、基本原理：渦流效應(yīng)與金屬導(dǎo)體本身的電阻率和磁導(dǎo)率有關(guān)，因此不同的材料就會有不同的性能。（三）、需用器件與單元

16、：電渦流傳感器實驗?zāi)０?、電渦流傳感器、直流電源、數(shù)顯單元、測微頭、鐵圓片，另加銅和鋁的被測體圓盤。（四）、實驗步驟：1、根據(jù)圖8-1安裝電渦流傳感器2觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個平繞線圈3將電渦流傳感器輸出線接入實驗?zāi)０迳蠘擞蠰的兩端插孔中，作為振蕩器的一個元件。4、在測微頭端部裝上鐵質(zhì)金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。5、將實驗?zāi)０遢敵龆薞o與數(shù)顯單元輸入端Vi相接。數(shù)顯表量程切換開關(guān)選擇電壓20V檔。6、用連結(jié)導(dǎo)線從主控臺接入15V直流電源接到模板上標有+15V的插孔中。7、使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關(guān)，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.2mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。?/p>

17、結(jié)果列入表818將原鐵圓片換成鋁和銅圓片。9、重復(fù)實驗1-7步驟，進行被測體為鋁圓片和銅圓片時的位移特性測試，分別記入表82和表83。表82被測體為鋁圓片時的位移為輸出電壓數(shù)據(jù)c四實驗結(jié)果與分析X(mm)17.116.916.716.616.416.316.115.915.7V(v)8.928.928.918.908.898.878.858.838.81X15.515.315.114.914.714.514.3V8.788.758.708.658608.568.53材質(zhì)鋁材質(zhì)銅電容傳感器原理及應(yīng)用電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個參數(shù)發(fā)生變化的方法來實現(xiàn)信號變換的。根據(jù)改

18、變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：1改變極板遮蓋面積的電容傳感器2改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器3改變極板間距離的電容傳感器磁傳感器磁傳感器是基于電磁傳感器原理，通過磁電相互作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的傳感器，它也被稱為感應(yīng)式傳感器、電動式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈中的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小由磁通的變化率決定。磁通量協(xié)的變化可以通過很多辦法來實現(xiàn)：如磁鐵與線圈之間作相對運動；磁路中磁阻變化；恒定磁場中線圈面積變化等。因此可以制造出不同類型的磁傳感器。磁傳感器是一種機一電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出信號強，輸出阻抗小，具有

19、一定的頻率響應(yīng)范圍，適合于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。磁電傳感器由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、彈簧、金屬骨架和殼體等組成。系統(tǒng)產(chǎn)生恒定直流磁場，磁路中工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。它們的運動部件可以是線圈，又可分為圈式或動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。恒磁通磁傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁鐵與傳感器殼體固定，線圈和金屬骨架（合稱線圈組件）用柔軟彈簧支承。線圈組件與殼體固定，永久磁鐵用柔軟彈簧支承。兩者的阻尼都是由金屬骨架和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生的電磁阻尼。動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的，當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，因此振動頻率

20、足夠高（遠高于傳感器的固有頻率）時，運動部件的慣性很大，來不及跟隨振動體一起振動，近于靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度。線圈與磁鐵間相對運動使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運動速度成正比的感應(yīng)電動勢，線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為工作匝數(shù)；工作氣隙中磁感應(yīng)強度；每匝線圈的平均長度。這類傳感器的基型是速度傳感器，能直接測量線速度。因為速度與位移和加速度之間有內(nèi)在的聯(lián)系，即它們之間存在著積分或微分關(guān)系。因此，如果在感應(yīng)電動勢的測量電路中接入一積分電路，則它的輸出就與位移成正比;如果在測量電路中接人一微分電路，則它的輸出就與運動的加速度成正比。這樣

21、，這類磁傳感器就可以用來測量運動的位移或加速度。磁傳感器是基于電磁傳感器原理，通過磁電相互作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的傳感器，它也被稱為感應(yīng)式傳感器、電動式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈中的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小由磁通的變化率決定。磁通量協(xié)的變化可以通過很多辦法來實現(xiàn)：如磁鐵與線圈之間作相對運動；磁路中磁阻變化；恒定磁場中線圈面積變化等。因此可以制造出不同類型的磁傳感器。磁傳感器是一種機一電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出信號強，輸出阻抗小，具有一定的頻率響應(yīng)范圍，適合于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。磁電傳

22、感器由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、彈簧、金屬骨架和殼體等組成。系統(tǒng)產(chǎn)生恒定直流磁場，磁路中工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。它們的運動部件可以是線圈，又可分為圈式或動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。恒磁通磁傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁鐵與傳感器殼體固定，線圈和金屬骨架（合稱線圈組件）用柔軟彈簧支承。線圈組件與殼體固定，永久磁鐵用柔軟彈簧支承。兩者的阻尼都是由金屬骨架和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生的電磁阻尼。動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的，當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，因此振動頻率足夠高（遠高于傳感器的固有頻率）時，運動部件的慣性很大，來不及跟隨振動體一起振動，近于靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈