电涡流传感器实验模块.docx

1、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

2、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

3、2可列出下列方程=-+=-+1222221111I M j I L j I R UI M j I L j I R (1 解式(1,可得线圈的等效阻抗Z222222221222222221L R M L L j L R M R R IUZ +-+=(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222222221222222221L R MR R L R M L L Q +-= (3 金属导体的电阻率、磁导率、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,(d f

4、Z = (4若能保持上述d 、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01mm 到030mm .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

5、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

6、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VX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

7、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

8、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

9、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

10、 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 Hz 10 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。