电涡流传感器实验

应物1001班        张进保       U201017303

【实验目的】

1．掌握电涡流传感器的基本结构和工作原理；并通过实验了解不同材料对电涡流传感器特性的影响。

2． 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。

3．通过电涡流方法测量振幅、重量、电机转速，掌握电涡流传感器的实际应用技术。

【实验原理】

    电涡流传感器由平面线圈和金属片组成。当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的

金属片上受感应而产生涡旋状电流，这种现象称为涡流效应。产生的感应电流，又称为电

涡流。电涡流传感器正是基于这种涡流效应而工作的。

图 1 电涡流效应图          2  电涡流效应的等效电路

如图1 所示，一个通有交变电流的线圈，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，导电材料内便产生电涡流，电涡流也将产生一个新磁场,与方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的等效阻抗发生变化。可见，线圈与导体之间存在着磁的联系，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。分别为线圈和导电材料的等效电阻，分别为线圈和导电材料的等效电感。为互感参数，表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。

由图2可列出下列方程：

                                            (1)

解式(1)，可得线圈的等效阻抗:

                   (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。线圈的品质因数为

                                                     (3)

由上不难看出，金属导体的电阻率、磁导率、线圈与金属导体之间的距离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

                                                       (4)

若能保持上述 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。

【实验仪器】

CSY10B型传感器系统实验仪（电涡流传感器、电涡流变换器、测微头、电压/频率表、差动放大器、电桥、测速电机及转盘）、三种金属涡流片（铁、铜、铝）、示波器、砝码等

【实验内容与步骤】

（一）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（必要时可稍许调整探头角度）。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，此时输出端有一电压值输出。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。

（二）被测材料对电涡流传感器特性的影响

1、 按内容一的方法重新安装好传感器，开启电源。

2、 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。

3、 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V～X曲线。

4、 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。

（三）用电涡流传感器称重

1、 差动放大器增益调为1，输出接电压表20V档。利用实验内容一的结果，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。

2、 在测量平台中间逐步增加砝码，记录被测重量W和输出电压值V。

3、 依据所测量的对应数据，作出传感器特性（V～W）曲线，计算灵敏度。

4、 取下砝码，放上未知重量之物品，根据标定曲线计算被测物重量，并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。

（四）电涡流传感器测量电机转速

1、 将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。

2、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。

3、 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涡流片特性曲线可大致判断转盘面与线圈的不平行度。

4、 将电压/频率表2kHz档接入涡流变换器输出端，读取脉动波形变化的周期数值，并与示波器读取的频率作比较。转盘的转速=脉动波形数÷2。

【实验数据与处理】

（一）

1、铜片

铜片图

由上可知，当工作距离在12.000-13.750（mm）之间时，其曲线线性度较好。灵敏度v/d=0.1416v/mm.

（二）

2、铁片

铁片图

由上可知，当工作距离在10.750-13.750（mm）之间时，其曲线线性度较好。灵敏度v/d=0.2887v/mm.

3、铝片

由左可知，当工作距离在15.500-18.000（mm）之间时，其曲线线性度较好。灵敏度v/d=0.3224v/mm.

（三）铜片：

由上图可知，最后两个数据已工作在非线性区，故舍去。

可算出灵敏度U/m=0.0015(v/g)

（四）实验数据 T=14ms  ?  f=1000/14=72Hz

     故 转速=36r/s

【简述误差】

1． 实验的金属片和底台不能完全贴合，一边有较大缝隙，影响线性区，使其减小。

2． 线性工作区过短，使得需要的有效实验数据减少，不利于分析。

 

第二篇：(五) 电涡流传感器位移实验

（五） 电涡流传感器位移实验

一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：通以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。

三、需用器件与单元：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。

四、实验步骤：

1、根据图3－7安装电涡流传感器。

图3－7  电涡流传感器安装示意图

2、传感器结构，这是一个扁平绕线圈。

     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（传感器屏蔽层接地）。

     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V₀与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。

６、用连接导线从主控台接入＋15V直流电源到模板上标有+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3-4。

表3-4电涡流传感器位移X与输出电压数据

8、根据表4-4数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点，试计 算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

axis([10.5 18.5 0.66 7.9]);

coords=[10.5:1:18.5,19.5;0.66,2.01,3.35,4.55,5.55,6.32,6.90,7.34,7.67,7.9];

grid;

hold;

plot(coords(1,:),coords(2,:),'*');

x=coords(1,:)

y=coords(2,:)'

b=size(coords);

c=ones(1,b(2));

MT=[c;x];

M=MT';

f=inv(MT*M)*MT*y

['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]

x=-max(x):0.01:max(x);

y=f(1)+f(2)*x;

mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y));

fprintf('传感器的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs(f(2)));

fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake);

plot(x,y);

xlabel('x/mm');

ylabel('V/v');

title('电涡流传感器的性能试验');

legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]);

计算结果：

ans =

y=0.80333x+-6.825

传感器的系数灵敏度S=0.803%

非线性误差f=0.340%

五、思考题：

1）电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

答：金属导体的电阻率c，厚度t，线圈的励磁电流角频率ω以及线圈与金属块之间的距离x等参数有关。

2）用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

答：可以通过贴金属片等方式进行测量。

3）请解释本实验中的“信号获取电路”的原理及电路参数。

答：采用定频调幅式测量电路。