涡流式测位移传感器的设计-OK

1、传感器与测控电路课程设计说明书设计题目电涡流式测位移传感器的设计学校湖南科技大学专业机电工程学院班级 07级测控一班 学号 0703030112 设计人 谢忠明指导教0帀余以道杨书仪 完成日期一 20010 年 6 月 2£0设计题与要求基本康理简述三、设计总体方案确定、传感器的结构设计及计算,绘制相应的结构设计6五、测控电路的设计与计箕，绘制相应的电路框图及电路11六、精度误差分析七、参考文献一、设计题目与要求1、设计题目：电涡流式测位移传感器的设计2、设计要求：1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好；2. 精度满足:0.1%fs；3测量范围：1.52. 5mn4设计传感器应用电路

2、并i田i出电路图（包括传感器零件图1张，装配图1张，电路 图1张）；5 设计传感器应用电路并画出电路图。6.应用范围：测量物体的位移。二、基本原理简述金属导体置于变化着的磁场屮，导体内就会产生感应电流，这种电流像水屮旋涡那样在 导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。电涡流式传感器就是在 这种涡流效应的基础上建立起來的。要形成涡流必须具备下列二个条件：存在交变磁场； 导电体处于交变磁场之中。因此，涡流式传感器主耍rti产生交变磁场的通电线圈和置于线 圈附近因而处于交变磁场中的金属导体两部分组成。金属导体也可以是被测对象本身。a2o 莎9l2图1涡流作用原理如上图所示，如果把

3、一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电流人时, 线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场丹】，处于此交变磁场屮的金屈导体内就会产生涡流厶, 此涡流也将产生交变磁场丹2,日2的方向与的局方向相反。由于磁场丹2的作用，涡流要消 耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化。可以看出，线圈与金屈导体z间存在着磁性联系。若把导体形彖地看作一个短路线圈， 其间的关系可用图1所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数皿，它 将随着间距x的减少而增人。根据克西荷夫定律，可列出方程rji-j=u凤乌+应22 -皿处1 = 0解之得11 =n n旳+尿+(%)2坨+込_ rt也2卅 +(

4、%)2 uml2 + j +席+(应2尸 s式中尽、厶线圈的电阻和电感；伦、5金屈导体的电阻和电感;u线圈激励电压;由i】的表达式可以看岀线圈受到金屈导体影响后的等效阻抗为等效电阻、电感分别为r = r七瓦/（席+刊）z =厶-厶心2心；+期）在等效电感中，第一项厶与磁效应有关。若金属导体为非磁性材料，厶就是空心线圈的 电感。当金屈导体是磁性材料时，厶将增大，而且随着x的变化而变化。第二项与涡流效应有 关，涡流引起的反磁场兄将使电感减小，兀越小，电感减小的程度就越大。等效电阻氏总是比原有的电阻鸟來得大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都将使阻抗的实 数部分增加。显然，金屈导体材料的导电性能和线圈离导

5、体的距离将直接影响这实数部分的 大小。由式（3-79）也叮以得到线圈的品质因数。为q = q式中°】无涡流影响时线圈的。值;n金属导体中产生涡流的圆环部分的阻抗，s =丿用+（也2尸。由上可知，被测参数变化，既能引起线圈阻抗厶变化，也能引起线圈电感£和线圈。值变 化。所以涡流传感器所用的转换电路可以选用7°中的任一参数，并将其转换成电量， 即可达到测量的目的。这样，金属导体的电阻率"、磁导率化线圈与金屈导体的距离x以及 线圈激励电流的角频率等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说, 线圈阻抗z是这些参数的函数，可写成若能控制其中大部分参

6、数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数 的单值函数。例如若被测材料的情况不变，阻抗z就成为距离兀的单值函数，便可做成涡流式 位移传感器。三、总体设计方案的确定1 当被测材料和激磁频率一定吋，那么阻抗z的值将是位移x的单值函数，hp： zh(x)。因此当x变化时，由于q值和l值的发生变化，导致z发生变化，通过相应的测量电路, 可以把z的变化转换为电压v的变化，这样就达到了非电量转换为电量的目的。特别值得注 意的是由于反映了 q值的变化，因此无论传感器灵敏度还是传感器的线性范围，都得到了人 大的提高。输出电压v与x的函数曲线只有在一段范围内呈线性，如图2所示。其线性范围的大小,

7、灵敏度的高低与线圈的形状，大小有关。通过对各种形状的线圈进行了估算，并经实验得岀, 传感器希望线性范国大，灵敏度高时，其线圈的形式最好是尽可能窄的扁平线圈，而线圈直 径增大吋，线圈范围也相应的增大，传感器的线性范围一般为线圈外径的1/3-1/5;因此设计 线圈的尺寸时，必须根据灵敏度及线性范围的大小來决定。图2电涡流传感器的u-x特性曲线2测量电路的任务就是把位移x的变化变换为电压或频率的变化。可以用三种类型的测量电路：电桥电路，谐振电路，正反馈电路。本设计釆用定频调幅式测量电路的方法。四. 传感器结构设计与计算，绘制相应的结构设计(1) 、线圈外型尺寸的选择线圈外型尺寸的计算主要是根据涡流式

8、位移传感器所需的灵皱度和线性范围來确定的。 电涡流传感器屮灵敏度和线性范围是主耍考虑的问题，而传感器的灵敏度和线性范围与产生 的磁场强度的分布有关，磁场沿径向分布范围大，则线性范围就大，轴向磁场梯度大，则灵 敏度就高。所以应先确定磁场强度。线圈为扁平状时，灵敏度高，线圈内径改变时，只冇被测体与传感器距离近时，灵敏度 变化不大，设计时，传感器的线性范围一般取为线圈外径的l/3-l/5o根据以上分析，考虑到测量位移要求灵敏度高，线性范围大，于是选择线圈的几何尺寸 为：外径 rl=7. 5mm；内径 r2=0. 75mm；厚度 b=lmmo(2) 、线圈骨架尺寸的选择根据线圈的外径尺寸，线圈骨架的外

9、径选择10呱其他尺寸如装配图所示。(3) 、涡流分布线圈尺寸的大小直接影响到电涡流径向形成范围。当导体半径20吋，产生的点涡流1=0, 以后随半径的增大电涡流也随着增大；当导体的半径增大到rr2时，电涡流1二0, 般通常 取导体半径r=1.89r2时，就认为电涡流1=0时。由以上可知涡流的半径与线圈半径大小一样。(4) 、线圈阻抗计算设:线圈的电阻为r,自感量为l,则线圈的阻抗为z二r+jwl线圈电感l的计算：线圈自感的理论计算比较麻烦，常用佩利捉出的经验公式来计算用dl =xlo-9 (h)0.0369+ 0.14d+0.1240式屮，d为线圈平均半径，b为线圈宽度，c为线圈厚度,n为线圈匝

10、数，= 根据d d 算式可计算出电感(5) 、电源频率的确定金屈导体内产生的涡流所建立起来的反磁场以及涡流要消耗一部分能量，这些作用都将 “反射”回去，改变原激励线圈阻抗。因此，等效阻抗z又称为反射阻抗，等效电感l又成 为反射电感。为了使反射效果更好，激励频率要高，贯穿深度较小。所以电源用高频反射式, 对于高频反射式可用下式来确定，即3 二2 兀 f所以有：f 二 3/2 h f(6) 、材料的选择线圈电阻的损耗，在冇线圈骨架的情况下，通常包含冇磁损耗和导线的铜损耗。所以对 线圈的骨架材料要求损耗要小；热膨胀系数小；电性能好。根据以上要求可选择线圈 骨架材料为聚四氟乙烯高品质因数塑料。线圈导线

11、一般选用高强度漆包线，多股适当组合，如果要求导线损耗电阻小，可用银线 或银合金线，在高温条件下，可使用铢鹄合金线。木设计选用多股较细的绞扭漆包线(能提 高q值)绕制而成，置于探头的端部。(7) 、电涡流传感器线圈冇两种结构：先绕制一个扁平线圈然后粘贴在框架上;在框架上先开一条椚，导线绕在槽内而形成一个 线圈。两种机构本身没冇优劣性，选择b作为线圈的结构，如下图所示：1线阅$2导线j 3基体（4 -缥丝*5每母$6导线槽&图3涡流传感器五. 测控电路设计及计算，绘制相应的电路原理图及电路图测量屯路的任务就是把位移x的变化变换为电压或频率的变化。口j以用三种类型的测量电 路：电桥电路，谐振

12、电路，正反馈电路。口前所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变 频调幅式与调频式。下图是调幅法的原理图。传感器线圈与电容组成lc并联谐振回路。它由有石英振荡器输 出高频信号激励，它的输出电压为： 心靑式中，询为高频激励电流；z为lc冋路的阻 抗。可以看出，lc回路的阻抗z越人，回路的输出电压越人。图4定频调幅谐振电路的原理框图测量开始前，传感器远离初被测导体，调整lc冋路使其谐振频率等于激励振荡器的振荡 频率。当传感器接近被测导体时，线圈的等效屯感发生变化，致使回路失谐而偏离激励频率, 回路的谐振峰将向左右移动，如下图所示图5调幅电路谐振曲线若被测导体为非磁性材料，传感器线圈的等效电感减小，冋

13、路的谐振频率提高，谐振峰右移, 回路所呈现的阻抗减小为z1，或z2，,输岀电压就将由u降为ulu2当被导体为磁性材料 时，由于磁路的等效磁导率增大使传感器线圈的等效电感增大，回路的谐振频率降低，谐振 峰左移。阻抗和输出电压分别减小为z1或z2和ul或u2o因此，由输出电压的变化來表示 传感器与被测导体间距离的变化。1.放人电路电涡流传感器一般采用电桥放大电路，如下图为单端反向输入电桥放大电路。图6电桥放大电路由图可以徐"(陀)(牛航2 全波精密检波电路r3r5m reoh k ii图7精密检波电路(1)当vi>0, d1截止，d2导通r2因& =心=/?3 =他=2&a

14、mp;故有(2)当vi<0, d2截止，d1导通5=0,匕一务=匕综上所述:v,=ivj3.压控电压源型二阶低通滤波电路r«r2 kor>n korwn图8低通滤波电路滤波器的参数为:11 rlr2cc 2叫=丄（丄+丄）+匕乞g r r2 r2c2六. 精度误差分析1. 线圈轴上磁感应强度在影响涡流损耗的诸因素屮，大多数因素是固定的或基木不变的，所以对涡流式传感器 的工作起着重人影响的因索是金属导体内的磁场分布。尤其是对涡流式位移传感器，磁场分 布对灵敬度和线性范围起着决定性的作用。对传感器来说，总是希望其灵敏度高，线性范围大。欲使线性范围大，就要求磁场轴向 分布范围人

15、，欲使灵敏度高，就要求被测体在轴向移动吋涡流损耗功率的变化人，亦即轴向 磁场强度变化梯度大。图9单匝载流导线在轴上产生的磁场圆环形单匝载流导线在轴上产牛的磁感应强度（如上图）根据毕奥-沙伐-拉普拉斯泄律可得式中 縄空气磁导率；1激励电流强度；r导线圆环半径；x轴上点距导线圆环的距离。载流扁平线圈产牛的磁场是由若干导线圆环的磁场叠加而成。如下图所示:图10涡流冋路则通过截而必妙的电流为:in02 _dxdy式中r线圈匝数;0、心、b线圈外、内径半径和厚度。该电流在轴上距线圈端面处兀（即坐标原点）所产生的磁感应强度为込 =22 3/2 = 2 » 2 和22 （”+b严2（勺-心（”+b

16、严整个线圈在此处产生的磁感应强度为傀1n2(% -川(x + b)ln空+(兀+ “尸h + j彳+0 +疔上式表明：轴上磁感应强度$是兀的函数，线圈的尺寸参数、厂】、“丿将对b宀特性产生 一定的影响，其间的关系比较复杂。固定其中两个改变其中一个参数，图11 bx-x特性口j以画出如上图所示的特性曲线。特性曲线表明，线圈外径对轴上磁场分布范围和磁感应强 度变化梯度的影响较大，其它二个参数的影响较小。这就是说，线圈外径越大，线性范围将 越大，但灵敏度越低；反之，外径越小，灵敏度越高，但线性范围越小。一般说来，线性范 围大约是线圈外径的1"5。线圈内径的变化，只是在靠近线圈处灵敏度稍有不

17、同。线圈 厚度的变化也仅是在靠近线圈处对灵敏度稍冇影响。2. 涡流分布涡流只存在于金屈导体的表而薄层内，在径向也只冇一个冇限的范围内存在涡流，所以 实际上存在一个涡流区。但是在推算涡流损耗功率时，曾把涡流当作均匀分布来处理。这是 不符合实际的。实际上，涡流分布是不均匀的、涡流区内各处的涡流密度是不同的。涡流范围随线圈外径人小而变，并与线圈外径冇固定的比例关系，线圈外径确定后，涡流范 围也就确定下来了。在线圈外径处，涡流密度最大；在厂°如2以内，基本上没有涡流；在厂 二1&2处，涡流密度将衰减到最大值的5%。rft丁趋肤效应，涡流只在衣面薄层内存在，而月涡流密度的轴向分布是按指数规律衰减的, 可用下式表示：式中人金属导体