电涡流传感器实验模块.docx
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电涡流传感器实验模块
电涡流传感器实验模块
基本教学实验
实验目的
1掌握电涡流传感器的基本结构和工作原理。
2通过实验了解不同材料对电涡流传感器特性的影响。
3通过电涡流方法测量重量、电机转速,掌握电涡流传感器的实际应用技术。
4掌握电涡流传感器的静态标定方法,通过实验进行电涡流传感器的静态标定。
实验原理
与自感传感器、差动变压器相比,电涡流测量原理的特点有二,其一是对导电率、导磁率等物性参数敏感,其二是能够实现非接触测量。
这两个特点使得电涡流传感器的应用更为灵活多样,至今人们还在不断的开发它的新用途。
金属导体置于变化着的磁场中,导体内就会产生感应电流,称之为电涡流。
这种现象称为涡流效应。
电涡流式传感器正是基于这种涡流效应而工作的。
如图1所示,一个通有交变电流∙
1I的线圈,置于一块导电材料附近,由于交变电流的存在,在线圈周围就产生一个交变磁场1H,导电材料内便产生电涡流∙
2I,电涡流∙
2I也将产生一个新磁场2H,1H与
2H方向相反,因而抵消部分原磁场1H,从而导致线圈的等效阻抗发生变化。
图1电涡流效应
无疑,线圈与导体之间存在磁的联系,若把导电材料看成一个具有内阻的线圈,则图1可用图2所示的等效电路表示。
1R、2R分别为线圈和导电材料的等效电阻,1L、2L分别为线圈和导电材料的等效电感。
M为互感参数,表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。
图2电涡流效应的等效电路
由图2可列出下列方程
⎪⎩⎪⎨⎧=-+=-+∙
∙∙∙
∙∙∙
1222221111IMjILjIRU
IMjILjIRωωωω（1解式（1,可得线圈的等效阻抗Z
][2
2
2222
221222222221LRMLLjLRMRRI
U
Zωωωωω+-+++==∙∙
（2前两项为等效电阻,第三项为等效电抗,第三项中括号内为等效电感。
品质因数Q为
22
22
22
22122
2222
221]
[LRM
RRLRMLLQωωωωω+++-=（3金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体之间的距离d以及线圈激励电流的角频率
ω等参数,都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。
或者说.线圈等效阻抗是这些参数的函数,即
,,（ωμρdfZ=（4
若能保持上述dρμω、、、四个参数中的任意三个参数恒定,则等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的关系,构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系。
利用位移d作为变换量,可以非接触的测量位移、厚度、振动、转速等,也可做成接近开关等。
图3为电涡流位移传感器的几种具体应用。
图（a为轴的轴向位移的测量,图（b为先导阀或换向阀位移测量,图（c为金属热膨胀系数测量。
测量位移范围可从0~1mm到0~30mm.分辨率为满量程的0.1%。
图3电涡流位移传感器的几种具体应用
图4为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。
在被测对象上开一个凹槽,靠近轴表面安装电涡流探头。
每当轴转动到如图示位置,电涡流探头感受到轴表面的位置变化,传感器激励线圈的电感随之改变,轴转一圈,变化一次,振荡器的频率变化一次。
通道检波器转换成电压的变化,从而得到与转速成正比的脉冲信号。
来自传感器的脉冲信号经整形后,由频率计得到频率值,再转换成转速。
图4利用电涡流传感器测量转速
实验所需部件
电涡流线圈、金属涡流片（铜、铝、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表、差动放大器、电桥、砝码
实验步骤
电涡流传感器的传感特性和静态标定:
1安装好电涡流线圈和金属涡流片,注意二者必须保持平行。
安装好测微头,将电涡流线圈接入涡流变换器输入端,涡流变换器输出端接电压表20V档。
2开启仪器电源,用测微头将电涡流线圈和涡流片分开一定距离,此时输出端有电压值输出。
将示波器接涡流变换器输入端,观察电涡流传感器的高频波形。
信号频率约1MHz。
3用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片,此时涡流变换器的输出电压为零,涡流变换器中的振荡电路停振。
4旋动测微头是平面线圈离开金属涡流片,从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数,并用示波器观察高频振荡波形。
将被测位移X、输出电压V的读数填入下表,作出V—X曲线,指出线性范围,找出其最佳工作点并求出灵敏度。
被测材料对电涡流传感器特性的影响
5按1的方法重新安装好传感器,开启电源。
6分别对铁、铜、铝被测体进行测量,记录被测位移X、输出电压V的读数。
7依据所记录的数据,在同一个坐标下作出涡流传感器对不同被测材料的传感器特性曲线。
8分别找出传感器对各种被测材料的线性范围、灵敏度、最佳工作点,并进行比较。
可得出结论:
对于不同被测材料,涡流传感器的灵敏度、线性范围都不相同,必须分别进行标定。
电涡流传感器称重
9按图5接线。
图5电涡流传感器称重
10差动放大器增益调为1,输出接电压表20V档。
将平面线圈安装在线性工作范围的起始点。
调整电桥,使系统输出为零。
11在测量平台中间逐步增加砝码,记录被测重量和输出电压值。
12依据所测量的对应数据,作出传感器特性曲线,计算灵敏度。
13取下砝码,在测量范围内从轻到重重新放砝码,记录被测重量、输出电压,并按输出电压依据标定曲线计算被测重量,进一步计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。
电涡流传感器测量电机转速
14电涡流传感器线圈支架转一角度,安装于电机转盘上方,线圈与转盘面平行,在不摩擦的前提下距离越近越好。
15电涡流线圈与涡流变换器相接,涡流变换器输出接示波器,开启电机开关,调节转速,同时调整平面线圈在转盘上方的位置,通过示波器观察,使变换器输出的脉动波对称。
16仔细观察示波器两相邻波形的峰值是否一致,如有差异,说明平面线圈与转盘或者不平行、或者电机本身存在振动。
利用已经获得的铁材料特性曲线可大致判断不平行度。
17将电压/频率表2kHz档接入涡流变换器输出端,读取脉动波形参数,并与示波器读取的频率作比较。
转速为脉动波形数的50%。
设计性实验——基于电涡流传感器的振动测量系统设计
实验要求
设计以电涡流传感器作为传感器的振动测量系统,使用该系统测量被测对象的固有振动频率,对该系统被测振幅与输出电信号之间的关系进行标定,利用标定后的测量系统进行振幅测量并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。
将测量结果与差动变压器、自感传感器进行综合比较。
可用资源
原实验仪上的所有资源,如电涡流传感器、涡流变换器、直流稳压电源、低频振荡器、电桥、差动放大器、激振器等;振幅及频率测量装置;示波器。
建议实验步骤
1移开圆盘上测微头使圆盘处于自由可振动状态。
2低频振荡器接入“激振I”,使圆盘振动。
注意保持适当的振幅。
3以电涡流传感器、涡流变换器、直流稳压电源、低频振荡器、电桥、差动放大器等为基
本部件,设计基于电涡流传感器的振动测量系统。
画出电路图,并按图组成系统。
经指导教师认可后,方可通电。
4根据上述实验结果,将平面线圈安装在最佳工作点,直流稳压电源置±10V档,差动放大器在这里仅作为一个电平移动电路,增益置最小处（1倍。
调节电桥电路,使系统输出为零。
5接通“激振器I”,电压/频率表调至2KHZ档阶低频输出端,维持低频振荡器输出幅值不变,改变低频振荡器的频率,从5HZ逐渐增加到30HZ,记录测量系统输出的电信号幅值,利用振幅及频率测量装置测量振幅、振动频率。
最高电信号幅值所对应的振动频率就是被测对象的固有频率。
6在低于固有频率的范围内任选一个激振频率,并维持不变。
先是从低到高、而后从高到低调整激振幅值,记录输出电信号、并用振幅及频率测量装置测量振幅。
如此反复测量几个循环。
7更改激振频率,重复6的实验内容。
8以6、7的测量数据为基础,作出所设计的振动测量系统的标定曲线。
9再更换激振频率、激振幅值,记录测量系统输出的电信号,并依据标定曲线计算被测振幅;同时利用振幅频率测量装置实际测量振幅。
振动频率Hz10依据9的数据，计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。
11用示波器可以看到变换器输出波形有失真现象，这说明电涡流式传感器的振幅测量范围是很小。
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