机械工程实验教学中心

开放性实验报告

目 录

1 实验说明............................................... 1

1.1 实验目的........................................................ 2

1.1.1 实验原理............................................................ 2

1.1.2 专业知识............................................................ 2

1.1.3 实践能力............................................................ 3

1.2 实验要求........................................................ 3

1.3 实验设备........................................................ 3

1.3.1 实验场所............................................................ 3

1.3.2 实验仪器............................................................ 3

2 实验过程............................................... 3

2.1 实验台介绍...................................................... 3

2.1.2 电路原理............................................................ 4

2.2 实验内容与步骤.................................................. 5

2.2.1 电涡流动传感器的位移特性实验........................................ 5

   2.2.3实验结果处理.................................................. 7

3 总结................................................... 9

 

 

1 实验说明

1.1 实验目的

1．了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性

2．了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

3．了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。

1.1.1 实验原理

通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。

电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以 高频交变电流后，在与其平行的金属片上会感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。

1.1.2 专业知识

   （1）电涡流动传感器的位移特性实验基本原理

通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

   （2）被测体材质对电涡流传感器特性影响实验基本原理

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

（3）被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验基本原理

本综合性实验原理的电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。

1.1.3 实践能力

进一步提高本科生的实践能力。

1.2 实验要求

（1）在实验前务必详细阅读实验指南。

（2）严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱的面板和实验模 板面板。

（3）请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。

（4）请勿将主机箱的±电源引入实验模板时接错。

（5）在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

（6）实验完毕后，请将传感器及实验模板放回原处。

（7）如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。

（8）实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。

1.3 实验设备

1.3.1 实验场所

致知303教室

1.3.2 实验仪器

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、铜和铝的被测体圆盘、直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同形状铝被测体二个、数显单元。

2 实验过程

2.1 实验台介绍

2.1.1实验台的组成

CSY－2000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等组成。

（1）主机箱：提供高稳定的±15V、±5V、＋5V、±2V－±10V（步进可调）、＋2V－＋24V（连续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；气压源0－20KPa（可调）；温度（转速）智能调节仪；计算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数显表；漏电保护开关等。其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。

（2）振动源：振动台振动频率1Hz－30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。

　   转动源：手动控制0－2400转／分；自动控制300－2400转／分。

　   温度源：常温－180℃。

（3）传感器：基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度(AD590)传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八个。

　 增强型：基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器等。

（4）实验模板：基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波共十块模板。增强型增加与选配传感器配套的实验模板。

（5）数据采集卡及处理软件，另附。

（6）实验台：尺寸为1600×800×750mm，实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。                                

2.1.2 电路原理

      实验模板电路原理已印刷在模板的面板上 ，实验接线图参见文中的具体实验内容。

2.1.3 使用方法

（1）开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。

（2）将AC　220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。

（3）做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。

（4）合上调节仪（温度开关）电源开关，调节仪的PV显示测量值；SV显示设定值。

（5）合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。

（6）数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。

2.1.4仪器维护及故障排除

（1）维护

1）防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面。

2）实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。

（2）故障排除

1）开机后数显表都无显示，应查AC　220V电源有否接通；主机箱侧面AC　220V 插座中的保险丝是否烧断。如都正常，则更换主机箱中主机电源。

2）转动源不工作，则手动输入＋12V电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。

3）振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。

    4）温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。如都正常，则更换温度源。

2.2 实验内容与步骤

2.2.1 电涡流动传感器的位移特性实验

（1）基本原理

通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

（2）实验步骤：

1）根据图21-1安装电涡流传感器。

图21-1电涡流传感器安装示意图

图21－2电涡流传感器位移实验接线图

2）观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

3）将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

4）在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

5）将实验模板输出端Vo与数显单元输入端V_i相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。

6）用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

7）使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表21-1

表21-1电涡流传感器位移X与输出电压数据

                               

2.2.2被测体材质对电涡流传感器特性影响实验

（1）基本原理

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

（2）实验步骤

1）传感器安装与实验1相同。

2）将原铁圆片换成铝和铜圆片。

3）重复实验1步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表21-2和表21-3。

表21-2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据

表21-3被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据

2.2.3实验结果处理

电涡流传感器在距离较小时线性度较差，只有在距离大到一定程度时，传感器才有较好的线性度。

（1）被测体为铁圆片时

   

（2）被测体为童圆片时

 

（3）被测体为铝圆片时

 

3 总结

实验总结：

1.在实验之前，得有明确的思路，基础数据必须得整理好，为后面的实验很好地展示打下良好的基础。           

2.必须对电涡流传感器有一定的了解和实验操作能力，这样能够更快更顺利的实现想要的效果。           

3.在实验过程中，应该多与同学老师交流，有时候在交流过程中能够 激发自己的灵感，有的技术问题也可以共同探索。           

提升了学生学习的主动性和积极性，经过一段时间的练习后取得了一定的成果。

4.通过开放实验室，推动了实验室的建设，使实验室的建设和管理水平得到了提升。在实验室的管理制度建设方面，进一步完善了实验室的规章制度、实验员的岗位职责、实验室的学生守则等，加强了制度的宣传、执行与检查。

5.培养了学生动手测绘，自主学习的能力，加强了其对检测的认识与理解。根据教学大纲开设了与课程紧密相结合的项目，培养了其动手实验的能力及自主学习的能力，加强了学生的认识与理解，对其今后的学习及实践有很大的帮助。

 

第二篇：电涡流传感器的应用

电涡流传感器的应用

    电涡流传感器的特点是结构简单，丛于进行非接触式的连续测量．灵敏度较高，适用性强。

它的阻抗受睹多因素影响．如金属材料的厚度、尺寸、形状、吧导率、磁导率、表面因素、距离等。

只要固定其他冈京就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素，冈此电涡流传感器的应用

领域—E们’泛。似闹时包带来许多不确定冈素．一个或几个因素的微小变化就足以影响测量

结果，所以电涡流传感器多用于走件测量。即使要用作定量测量，也必须采用前面述及的逐点

林定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。下血就几个主要的应用做简单的介绍。

  一、位移的测量

  某些旋转机械，如高速旋转的气轮机对轴向位移要求很高。当气轮机远行叫，M[片在高压

蒸气候动F高速旋转，它的主轴承受巨大的抽N惟力。若主抽的位移越过规定值时，叶片有nT

能勺其他部件碰樟而断裂。因此用屯涡流传感器测量各种金属1飞牛的微小位移量就显得卜分

至给。利用电涡流探头4盯以洲旦谙AII气轮机主轴的轴向位移、LU动机的轴向审动、磨床换向

阀、先寻阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。伙穆测量范判可以从高灵敏度的o一1mm到

大量程的o一3〔)mnb分辨率可达满里程的o．1％，其缺点足线件皮稍差。只能达到1％G

    ZXwY型吧涡流轴问位移监测保护装置可以在恶劣的环境(如高温、潮湿、剧烈振动等)

露F接触测量利监视旋转机械的钠向位移。轴向位移的收测如图6—9所示。    杯设备停止检修时，将探头安站在与联轴器端四的距离为2nun的基应L，调节二次仪表

使示值为塔。当气轮机启动后，长期检测其轴向位移量。dj以发现，内于铀向推力和轴承的磨

损川使探头’J联劝器端而的队离5减小，二次仪表的输出屯乐小零开娇增大。可调整二次仪

表去而上的报警设定位．使什移钽电容达到危险值(本例中为o．9mm)叫，一次仪表发出报警信号；当位移量达到1．2mm时．发出停帆信号以避免发生事故。  广述测量属于动态测量。

原理还可以将此类仪胎用于其他设备的监测。

    电涡流传感器DJ以元接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数。在气轮机、空气压缩

机个常用电涡流传感器来监控主轴的径向、轴向振动，也可以测量发电机涡流叶片的振幅。在

研兜机器振动时，常常采用多个传感器放置公机器不同部位进行检测，得到各个部位的振幅

值、相位值，从而画出振则图，测量方法如图6—10所示。通常，由了机械振动是由多个不同频

率的振动合成的，所以其波形一般表尔正弦波，可以用频谱分析仪来分析输出信号的频率分

布，各对应频率的幅度。  ：、转速的测量

  若旋转体上已另：有一条或数条槽或做成齿状，则可在旁边安装一个电涡流传感器、如图

6—11所示。当转轴转动时，传感器周期地改变着与旋转体表面之间的距离。于是它的输出电

压也周期地发生变化，此脉冲http://www.abc-china.cn电压信号经放大、变换后，可以用频率汁测出其变化的重复频率，从而测出转轴的转速，若转轴上仆：个槽(或齿)、频率计的读数为／(节仰为tlz)，则转轴的转

速n(单位为r／rnin)的计算公式为  gg、坡层厚度测量

  用电涡流传感器可以测量翅料友面金届镀层的厚度。以及印刷线路板铜箔的厚度等，如图

6—12所示：由于存在集队效应，镀层或箔层越南，屯涡流越小。测量创，uJ先用电涡流侧厚

仪对标准的镀层和铜箔作出“厚度—输出电压”的标定曲线．以便测量nd对照。    五、电涡流式通道安全检查门

    我国于1981年八始使用图6—NXP代理商监所示的汽／人口检测系统．可伶效地探测出枪支、b首等

分届武器反其他大件金属物品。它广泛府灼于机场、海关、钱币J—、版狱等层蟹场所。    1．指示灯  2．隐蔽的金居导体  3．内藏式电涡流线圈  4．X光及中了探测器处理系统  L液晶彩显    该安全检测门的原理如图6—14所不。Ll、Lt 2为发别线圈，均用环氧树脂浇灌、密封在

门框山。川kH z音频信号现过L、、L”在线圈周围产生同频率凶交变磁场。蜘、Ln实际广分

成6个扁平线园，分布／l门两侧的上、中、下部位．形成6个探测K。

    因为Lil、L12与L 2，、Ln互TI代理相垂直．呈电气正交状态v无磁路交链刀。＝o。在行合届物体退

过LL J、L12形成的交变磁场HI时，交变磁场会在该金属导体农面，‘：牛电涡流。电涡流也将产

生‘个新的微弱磁场H2。认的相位与企届导体位置、大小等有关，但与蜘l、I‘n个再厂交。

因此盯以在山、J《中感应出电压。计算机根据感应出电压的大小、相位来判定企届物体的

大小。

    出于个人携带的H常用品，如皮带扣、钥匙华、眼镜架、戒指、甚至断腿个的钢钉等也会引

起误报警，因此计算机还要进行复杂的逻辑判断，才能获得既灵做义可靠、隙确纳效果。

    目前多公文检门的侧面女装一台“软X光”扫描仪。肖发现疑点时，可六功对人体、胶卷

元音的低能量狭窄扇间X削线，进行断向扫描。用软件处理的方法、合成先整的光学图像，见

图5—13右边显示器上的示意图。

    在更／“格的安检中，还在安检门的侧面安置能量微弱的小于发射管、对可疑刘象开启咳站

置。让个子穿过密讨的行李也，利用质谱仪来计算出行李物品的岔氮量，以及碳、氢的精确比

例，从而判定是否为爆ATMEL代理炸品(氮含量较大)。计算共他化学元素的比例，还可以确认商品和共他

物质。    利用电涡流传感器可以检企金届表6f(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤

中，传感器与被测导体保持距离个变。在检测过程小，出于缺陷将引起导体电导率、磁导率的

变化，使电涡流J：变小，从们引起输出电压灾变。

    l引6—15是用心祸流探头检测高压输油管表面裂纹的不意图。两只导向辊用耐磨、不导

电的聚四氟乙烯制成．亩的表而还刻有螺旋导N槽．并以相同的方向旋转。汕管在它们的驱动

厂，匀速地在楔形电yR流探头L方做360”转动，并向前挪动c探头利油管表凹进行逐点扫描．

得到阁6—16(a)的输出信号。http://www.ebv.hk当汕管存在裂纹时．电混流所止的路程大为增加见闻6—贩

(t))1，所以电涡流突然减小，输61波形如图6—16(n)小的“尖峰”历示。该信号十分紊乱，用肉

眼很难辨出缺陷性质。

    该信号通过带通滤波器，滤去表顶不平整、抖动等造成的输出异常后，得到图6  l 6(b)中

的两个尖峰信导。凋节电压比较器的阀值电乐，得到真正的缺陷佰号。计算机还uJ以根据图

6—16(n)的信号计算电涡流探头TI代理商线圈的阻抗，得到闯6—16(c)所示的“8”宁此瓣状阻抗图。根

据K期积累的探伤经验，可以从该复杂的阻抗图中判断r1裂纹的长短、深浅、走向等

参数。图小的黑色边框为反视报警区。当“8”字花瓣状图形超山报警K时即视为超标，产生报警信号。

    电涡流探伤仪杯实际使出时会ATMEL代理商受到谙多因素的影响，如环境温度变化、去15硬度、机械转

动不均匀、抖动等．用中个吧涡流探头易受上述阅素影响，严重时无法分辨缺陷和裂纹，出此必

须采用鼓动电路。在楔形屯涡流探头的尖端部位设置发射线圈，在其上方的左、右两侧分别没

量一只接收线圈，它们的同名地相连，在没有裂纹信旱时输出厅相抵消。当裂纹进入左、省接

受线图下力时，由于相位上有光后差别，所以信号无法抵消，j“生输出电压，这就是差动原理。

温漂、抖动等干扰通常是同时作用于两只屯涡流差动线圈，所以不会产牛输出信号。如果计算

机采用“相关技术”，就能进’步提高分辨力。

    上述系统的最大特点ATMEL是非接触狈0量．不磨损探头，俭测速度可达每秒几米。刘机械系统稍

做改造，还可以用于：轴类、滚了类的缺陷检测。cjmc%ddz