完整版电涡流位移传感器.docx

1、完整版电涡流位移传感器 传感器课程设计燕山大学课程设计说明书题目：电涡流位移传感器设计学院（系）：电气工程系年级专业： 14级工业仪表 1班学号： 131*0学生姓名： 韩升升指导教师： 程淑红教师职称： 副教授1 传感器课程设计燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：电子实验中心学生姓名学号专业（班级）设计题目电涡流位移传感器设计设计技术参数工作计划12答辩并写好任务书画出电路图和探头部分结构图【 1】贾伯年传感器技术东南大学出版社 2007参考资料【 2】林志琦信号发生电路原理与实用设计人民邮电出版社2010【 3】Arthur B.Williams术出版社 20

2、08著宁彦卿译电子滤波器设计科学技指导教师签基层教学单位主任签字字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日2 传感器课程设计摘要4556668电涡流位移传感器设计一、总体设计方案二、电涡流传感器 的基本原理2.1电涡流传感器工作原理2.2电涡流传感器等效电路分析2.3电涡流传感器测量电路原理三、实验数据143.13.2电涡流透射式电涡流反射式1515个人小结参考文献17173 传感器课程设计摘要随着现代测量、控制盒自动化技术 的发展，传感器技术越来越受到人们 的重视。特别是近年来，由于科学技术 的发展及生态平衡 的需要，传感器在各个领域 的作用也日益显著。传感器技术

3、 的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。在工程中所要测量 的参数大多数为非电量，促使人们用电测 的方法来研究非电量，及研究用电测 的方法测量非电量 的仪器仪表，研究如何能正确和快速 的非电量技术。电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要 的检测手段，广泛 的应用于工程测量和科学实验中。关键词：电涡流式传感器传感器技术电量非电量4 传感器课程设计电涡流位移传感器设计一、总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面 的距离。它是一种非接触 的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态 的相对位移变化。

4、电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质 的影响、结构简单等优点。构成传感器。根据下面 的组成框图，根据组成框图，具体说明各个组成部分 的材料：（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间 的相互作用，从而产生被测信号 的部分，它是由多股漆包铜线绕制 的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架 的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。（2）传感元件 :前置器是一个用环氧树脂灌封并带有导线 的装置，测量电路完全装在前置器中。（3）测量电路：是由涡流传感器构成，将测量信息转换为直流电量输出。本电路采用西勒振荡电路产生

5、振荡频率，在经过滤波产生直流电量。5 传感器课程设计二、电涡流传感器 的基本原理2.1电涡流传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图H，它使置于此磁场中 的被测金12-2中所示。与此同时，电涡流i又产生新 的交变磁场 H；H与 H方向相反，并力图削弱 H，从而导致探22211头线圈 的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体 的电阻率，磁导率，线圈与金属导体 的距离 x，以及线圈激励电流 的频率等参数。如果只改变上述参数中 的一个，而其余参数保持不变，则阻抗就成为这个变化参数

6、 的单值函数，从而确定该参数 的大小。fZ电涡流传感器 的工作原理，如图2-2所示：2.2电涡流传感器等效电路分析为了便于分析，把被测金属导体上形成 的电涡流等效成一个短路环中 的电流，这样就可以得到如图2-3所示 的等效电路。6 传感器课程设计图中 R1，L1为传感器探头线圈 的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中 R2，L2为被测导体 的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感 M，它随线圈与导体间距离 的减小而增大。 U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路 的平衡方程式如下：经求解方程组，可得 I1和I2表达式：由此可得传感器线圈 的等效阻抗为从而得到探头线

7、圈等效电阻和电感。:通过式（ 2-4） 的方程式可见：涡流 的影响使得线圈阻抗 的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器 的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响 的导体中产生 的电涡流起到调节线圈原来阻抗 的作用。7 传感器课程设计因此，通过上述方程组 的推导，可将探头线圈 的等效阻抗下一个简单 的函数关系：Z表示成如其中， x为检测距离；为被测体磁导率；为被测体电阻率； f为线圈中激励电流频率。所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗 Z 的变化来确定该参数 的变化。在目前 的测量电路中，有通过

8、测量 L或Z等来测量 x ,f 的变化 的电路。2.3电涡流传感器测量电路原理电涡流传感器常用 的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗一般用电桥，电感 L 的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。Z 的测量8 传感器课程设计电桥法是将传感器线圈 的等效阻抗变化转换为电压或电流 的变化。2-4为电桥法 的原理图。图图中 A，B两线圈作为传感器线圈。传感器线圈与两电容 的并联阻抗作为电桥 的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈 的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成 的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比 的输出。涡流线圈组成 的差

9、动式传感器。电桥法主要用于两个电谐振法是将传感器线圈 的等效电感 的变化转换为电压或电流 的变化，传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为，谐振时回路 的等效阻抗最大，Z =L/RC，其中 R为谐振回路等效电阻。当线圈电感 L发生变化时，回路 的等效阻抗和谐振频率都将随 L 的变化为变化，因此可以利用测量回路阻抗 的方法或测量回路谐振频率 的方法间接测出传感器 的被测值。调频式电路是通过测量谐振频率 的变化来进行测量，其结构简单，便于遥测和数字显示；而调幅式电路是通过测量等效阻抗 的变化来进行测量，由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高。下面以调幅式测量电路为例，说明谐振法 的

10、测量原理，如图2-5所示：9 传感器课程设计从图中可以看出 LC谐振回路由一个频率及幅值稳定 的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路 的输出电压为，其中i0为激励电流， Z为等效阻抗。测量中，当探头线圈远离被测金属导体时， LC回路处于谐振状态，谐振回路上 的输出电压最大；当探头线圈接近被测金属导体时，线圈 的等效电感发生变化，导致回路失谐而等效阻抗发生变化，使输出电压下降。输出 的电压再经过放大，检波，滤波后由指示仪器（电压表）读出，或输入示波器显示电压波形。这样就实现了将关系转换成 V-x关系，通过对输出电压 的测量，可确定电涡流传感器线圈L-x与被测金属导体之间 的距离x。电

11、涡流传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗 的变化而进行测量 的本设计采用涡流转换器，其工作原理是谐振式调幅电路。涡流转换器等效电路图图1从涡流转换 的等效电流图可分析出线圈震荡电流有涡流转换器提供。是由其中 的西勒振荡电路提供震荡电流。下图为西勒振荡电路。10 传感器课程设计西勒震荡电路图西勒振荡器是一种改进型 的电容反馈振荡器，进电路。这种电路频率稳定性高。因为可通过数不受 C4影响，所以在整个波段中振荡图2它是克拉波电路 的改C4改变振荡频率，且接入系振幅比较平稳。真两点使西勒电路 的频率能在比较宽 的范围内调节。西勒振荡电路 的频率为f 1/2 LC。C C C312CC4C C

12、C C C CC C C0；式中，122331。其中，11C C Ci22C3C C31C2时，振荡频率为当及1f02 L(C C4)3,C1C2与受输入输出电容（包括闲散电容）影响 的振荡频率 的稳定性。与无关，因此提高了C4C3西勒振荡电路 的振荡频率可以通过改变来调整。因比克拉波电11 传感器课程设计路取值大！故频率覆盖系数大，易调整，频率稳定度高，实际应用较多。西勒振荡等效电路图图 3上图为在实际应用中 的西勒电路改进型，在实际应用中可用可调电感，而可调电容换成固定电容。在大多数电视机中大多采用西勒振荡电路。此时 的振荡频率为f 1/2 LC。由涡流转换器电路图可知，西勒电路产生 的电

13、流从振荡器输出端输出后，经过上下两部分滤波电路，滤去交流。剩下直流电流从转换器 的输出端输出。上部滤波电路为12 传感器课程设计LC滤波电路 1LC低通滤波器后由输出端输出直流分量。下部 LC滤波器在二极管之后如图所示，图7直流电由输入端进入后经由LC滤波电路 2图8由于二极管有单向导通性，因此有部分正弦波经由二极管，而形成半波正弦波。在通过下部 LC低通滤波器滤去交流分量。从而输出直流分量。13 传感器课程设计三、实验数据电涡流传感器有传感器有两种结构类型，分别为透射式和反射式。即透射试验和反射实验3.1电涡流透射式穿L2，这这种类型与反射式主要不同在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用于测量金属材料 的厚度。下图为其工作示意图，透射式电涡流传感器工作原理图图9传感器由发射线圈 L1和接受线圈 L2 组成，它们分别位于被测金属板 的L1两端时，将在 L2两端产生感应电压。若两线圈之间无金属导体， L1 的磁场就能直接贯时电压达到最大。L1 的磁场，造成电压下降。金属板厚度越大，两侧。当低频激励电压加到线圈当有金属板后，其产生