电涡流传感器试验

§6.2 传感器专题试验传感器是现代检测和掌握装置的重要组成局部非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。一、传感器的根本概念传感器实质上是一种功能块，其作用就是把非电量信号的被测量〔如力、热、声、磁和光等物理量〕转换成与之成比例的电量信号〔如电压和电流，然后再经过适当的电路处理为系统处理和决策供给所需要的信息。传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和根本转换电路三局部组成。元件。转换元件：作用是将敏感元件的输出转换成电路参量。根本转换电路：作用是将上述的电路参数转换成电量输出。“感知”的被测量转换成电量输出。传感器的分类传感器的分类方法很多。按传感器构成原理分为：构造型与物性型两大类。构造型：主要是通过机械构造的几何外形或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号，目前此种传感器应用较广泛。物性型：利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。另外还可按传感器工作机理分为：物理型、化学型、生物型等。按其工作原理分为：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、化学式传感器、半导体传感器等。按被测物理量划分为：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器等。按输出形式分为：数字传感器、模拟传感器。传感器的作用传感器是人类五官的延长，又形象地称之为“电五官之间的特定关系来实现的。例如热电效应、磁电效应、光电效应和压电效应等。利用这些独特的物理效应，可以设计和制造出适用于各种场合、有着不同用途的传感器。二、传感器的根本特性传感器的根本特性分为静态特性和动态特性两种。传感器的静态特性应是线性关系，但在实际应用中，由于诸多因素的影响〔如迟滞、蠕变、摩擦等和重复性。线性度〔非线性误差〕线性度是指输入〔抱负〕与输出关系对于线性比例关系的偏差程度。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的状况下，其静态特性可用下式表示：ya axax2ax3 axn0 1 2 3 n〔6.2-1〕y是输出量、x是输入量、a0是零点输出、a1是理论灵敏度、a2,a3,……an是非线性项系数。静态特性曲线可通过实际测量获得。但为便利标定和数据处理，期望得到线性关系，可承受各种方法进展线性化处理。一般承受直线拟合的方法来线性化。大偏差。线性度也称为非线性误差。通常用相对值来表示，即：E Ar y

100%0A为最大偏差，y06.2-1所示，由此可见：非线性偏差的大小是以“端点连线平移拟法”及“最小二乘法拟合”等。选择拟合直线尽量小的非线性误算的便利。灵敏度

6.2-1传感器线性度Sn定义为：在稳定线性区输出变化量与输入变化量之比。Sn=dy/dxSn为一常数，即6.2-1a1项，与输入量大小无关。迟滞性迟滞性是指在一样工作条件下作全测量范围校准时正行程和反行程其输出值间的最大偏差。滞后现象反映了传感器机械构造和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动、元件腐蚀或碎裂及积尘等，都会引起传感器的滞后现象。重复性的全都程度。各条特性曲线越靠近，重复性就越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属于随机误差。传感器的动态特性准确地跟踪输入，其输出能够依据输入的变化规律发生相应的变化，这个过程又称为响应。响应是描述动态特性的重要参数。三、传感器的标定标；其二是明确这些性能指标所适用的工作环境。本试验只争论第一个问题。要是线性度、灵敏度、滞后和重复性。动态标定的目的是确定传感器动态指标，主要是时间常数、固有频率和阻尼比。有时，依据需要也对非测量方向〔因素〕的灵敏度、温度响应、环境影响等进展标定。〔亦即标准量对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。传感器专题试验一 电涡流式传感器电涡流式传感器是建立在涡流效应原理上的一种传感器为电量的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；也可以利用它把电阻率的变化转换成电量的变化，做成应力、硬度等传感器。争论的各个领域。【试验目的】了解电涡流式传感器的工作原理。把握静态标定的方法，了解被测材料对电涡流式传感器特性的影响。把握电涡流传感器测量振幅的方法了解由电涡流式传感器组成的电子称的标定和测量方法。【试验原理】电涡流式传感器工作原理频反射式应用较广。本试验使用高频反射式。1如图6.2-2I时，线圈的四周空间1

I1I1 I2H

6.2-2电涡流传M器工作原理II

1呈涡旋状，故称为电涡流。而此电涡 R12 22H2

H

方向相12H12

U L1 L2 R2抗及品质因数等发生变化，这些参数变化量的大小与金属导体的电阻率、磁导率、几何外形、鼓励电流以及线圈与金属导体间的距离等有关。限制其中其它参数不变，只让其中某一个参数变化，就构成了测量该参数的传感器。

6.2-3等效电路6.2-3R1L1为传感器线圈的电阻和电感，R2L2I1、I2，U为鼓励电压，M为互感系数。依据基尔霍夫定律可以写出方程

RIjLIjMI U11 11 2RI j22

LI j22

MI 01以上两式联立解得传感线圈中的电流I为1I U1 2M2R 2M2L R

2j

L 21 R22L22 2

1 R22L22 2上式的分母即为线圈受涡流产生的磁场H2影响后的阻抗Z U1 I

RjL其中，线圈等效电阻

RR

12M2R21 R22

2线圈等效电抗

LL

2M2L21 R22

2由此可算出线圈的品质因数 QLR而无涡流效应时线圈的品质因数为 Q=L1

/R。1可见，R、L、QM的函数。而互感系数M打算于线圈靠近金属导体的程度，随着线圈与金属导体离得越近，互感M值越大，涡流效应引起上述参数的变化也越大，表现为涡流损耗的功率增大，线圈回路的Q值降低。电涡流传感器的根本原理就是将传感器与被QZL三个参量，并用相应的测量电路来测量。电涡流传感器的测量电路本试验中电涡流传感器的测量电路承受定频调幅式测量电路1MHz~2MHz。通常承受CL并联，构成并联谐振回路，其谐振频率为LC =1LC0 2传感器线圈作为振荡回路的一个电感元件与电容构成根本电路单元经电阻R加到传感器上。其作用是将位移变化引起的振荡回路阻抗的变化转化为高频载波信号的幅度变化。当没有被测导体时，使谐振回路产生谐振，回路谐振频率为0，当与被Q值降低，振荡幅值下降，Z也发生变化。LCQ的等效阻抗最大。U0最大。当被测导体接近传感器线圈时，L感应的高频电磁场作用于被测导体，由外表的涡流反射作用，使电感量L变小，U值削减。因此通过对输出电x的大小。R、L、QMx呈非线性关系。但在某一小范围内可以将这些函数关系近似地用线性函数表示呈线性关系。可以用电涡流传感器在这段线性范围内测量位移、振幅等物理量。【试验仪器】10CSY 系列传感器系统试验仪、双踪示波器等。10【试验内容】电涡流传感器的静态标定选择试验所需部件：电涡流传感器、涡流变换器、螺旋测微仪、电压表。6.2-4

6.2-4静态标定接线图20V档。开启主机电源与副电源，用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压应为零〔可适当转变支架中的线圈角度，假设不为零登记零点偏移量〕。然后旋动测微0.5mm14组数据。将U、xU~x曲线，指出线性范围，求出灵敏度。将示波器接涡流变换器输入端口，观看电涡流传感器的鼓励信号频率，随着线圈与电涡流片距离的变化，信号幅度也发生变化，当涡流片紧贴线圈时电路停振，输出为零。比较不同被测材料对电涡流传感器特性的影响阻抗的变化还与被测导体的材料、外形、大小有关。一般状况下，被测体导电率越高，灵敏传感器一半时，其灵敏度削减一半；更小时，灵敏度则显著减小。因此需对不同的被测材料分别进展标定。按内容1的要求分别对铁、铜、铝涡流片进展测试与标定，记录数据，在同一坐U~x曲线。分别找出不同材料被测体的线性工作范围、灵敏度、最正确工作点，进展比较并做出定性的结论。振幅测量变换器、直流稳压电源、电桥、差动放大器、激振器I6.2-5接线。差动放大器调零。 图6.2-5振幅测量接线图动台，将电涡流传感器的线圈安装在与被测铁片的最正确工作距离上〔即线性区域的中点位置，利用差放和电桥电位器D处于平衡位置。移动振动台至上、下偏离位置，观看输出电压的变化，假设平衡位置恰为传感器的位置，查找最正确工作点。选好最正确工作点后，用双踪示波器的一个通道在A点观看涡流传感器的高频振荡波形，并测出其振荡频率。将低频振荡器的低频输出信号接入激振器I，缓慢加大增益使振动台产生适当振1～30Hz，观看振动台振动状态，登记共振频率0。再将示波器的另一个通道接入在B点观看涡流变换器的输出电压波形，适当调整低频振荡器的增益以保证输出电压波形不失真，用示波器测出U

p-p

值大小。依据试验内容1的结果〔即当被测材料为铁片时，对电涡流传感器进展静态标定S所得的灵敏度〕估算出振动台振幅大小SnUA pp2Sn电涡流传感器组成的电子秤6.2-5接线，调整好差动放大器的零点，将差放的输出接电压表20V档。DD调整电涡流传感器的位置，使其处于线性范围的起始处，调整电桥电位器W 使电压表指示为零〔调整好以后差放增益和W 均不行再动。DDW和输出电压U值。依据试验U～W曲线，找出线性区，计算出灵敏度SU/W取下砝码，在振动台上放一重n为

UxU

则该物体的重量W Uxx Sn【留意事项】振动台共振时，应准时减小振荡器增益，以免振动台振幅过大发生碰撞。更换被测金属片时，应首先移开传感器探头〔线圈。显示仪表量程宜从高档转换到低档，鼓励信号幅度则应从小到大。涡流变换器输入端接入示波器时由于一些