電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)

電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器測量位移的工作原理和特性?；驹恚弘姕u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(dǎo)電體—金屬渦流片）組成，如圖所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場H1，當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)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(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣就可得到如圖中的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)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(fù)阻抗為：線圈的等效電感為：線圈的等效Q值為：式中：Q0—無渦流影響下線圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；Ｚ22—金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。由式Z、L和式Ｑ可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Ｑ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(dǎo)體間距離x(H)的非線性函數(shù)。因此Z、L、Ｑ均是ｘ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"S"型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實(shí)Z、L、Ｑ的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)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(dǎo)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，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當(dāng)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、Ｑ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(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。為實(shí)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(shí)驗(yàn)框圖如下圖所示：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為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數(shù)，用相應(yīng)的測量電路（前置器）來測量。本實(shí)驗(yàn)的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測量電路，電路原理如圖22—3所示。電路組成：⑴Q1、C1、C2、C3組成電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號。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。振蕩器作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。⑵D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號中傳感器檢測到的低頻信號取出來。⑶Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機(jī)械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。當(dāng)無被測導(dǎo)體時，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且最高，對應(yīng)的檢波輸出電壓Vo最大。當(dāng)被測導(dǎo)體接近傳感器線圈時，線圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移ｘ的變化。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。需用器件與單元：機(jī)頭中的振動臺、測微頭、電渦流傳感器、被測體（圓鐵片）；顯示面板中的電壓表，調(diào)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，示波器。實(shí)驗(yàn)步驟：1、調(diào)節(jié)測微頭初始位置的刻度值為5mm調(diào)整處，松開電渦流傳感器的安裝軸套緊固螺釘，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，并再按圖示意接線將電壓表量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無誤后開啟電源，記下電壓表讀數(shù)，然后逆時針調(diào)節(jié)測微頭微分筒，每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入下表（在輸入端即傳感器二端可接示波