实验六电涡流传感器测位移实验一、实验目的掌握电涡流传感器工作原理，了解其结构与测量位移的应用。二、需用器件与单元CSY2000系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱中的土15V直流稳压电源、电压表；电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）、示波器。三、基本原理电涡流式传感器是-种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器如图6-1所示。根据电磁感应原理，当线圈和被测物体导电体般为1MHz～2MHz）I时，线传感器线圈由于线圈磁通链穿过导居围空面时所形成的磁通链又穿过传感本，使导一等效电感，器线圈原线圈友馈从而导致传感器线圈的阻折上形成的电涡等效成一为传感器线圈的电阻和电感。短路短路环，这样就可得到如图6-2环可以认为是互感M，它随市银路线圈，导体存不线圈与导体间距的减小而增大线网7.教测导体图6-1电涡流传感器原理图图6-2电涡流传感器等效电路图根据等效电路可列出电路方程组：(R,I,+joL,I,-joMI,=0(6-1)RI, +joLI,-joMI,=0通过解方程组，可得I，、I，。因此传感器线圈的复阻抗为：0'M?0'MU(Z=(6-2)R ++iOLR, +(oL,)R2 +(oL,)线圈的等效电感为：0'M?L= L - L R* +(oL,)(6-3)线圈的等效Q值为：Q=Qo{[1-(L,0*M)/(L,Z,)] / [1+(R,w"M)/(R Z,)] )(6-4)式中：Q0—无涡流影响下线圈的Q值，QQ=のL/R；Z—金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Z=R+L2。14
14 实验六 电涡流传感器测位移实验 一、实验目的 掌握电涡流传感器工作原理，了解其结构与测量位移的应用。 二、需用器件与单元 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台模块单元：主机箱中的±15V 直流稳压电源、电 压表；电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片)、示波器。 三、基本原理 电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器 线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图 6-1 所示。根据电磁感应原理，当 传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为 1MHz～2MHz）I1 时，线 圈周围空间会产生交变磁场 H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导 体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流 I2，而 I2 所形成的磁通链又穿过传感 器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感， 从而导致传感器线圈的阻抗 Z 发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个 短路环，这样就可得到如图 6-2 的等效电路。图中 R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路 环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为 R2、电感为 L2。线圈与导体间存在一个互感 M，它随 线圈与导体间距的减小而增大。 图 6-1 电涡流传感器原理图 图 6-2 电涡流传感器等效电路图 根据等效电路可列出电路方程组： 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 R I j L I j MI R I j L I j MI (6-1) 通过解方程组，可得 I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为： 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 1 L R L M R j L R L M R I U Z (6-2) 线圈的等效电感为： 2 2 2 2 2 1 2 R ( L ) M L L L (6-3) 线圈的等效 Q 值为： Q＝Q0{[1-(Ｌ2ω 2Ｍ 2)/(Ｌ1Ｚ2 2)]／［1+(R2ω 2Ｍ 2)/( R1Ｚ2 2)］} (6-4) 式中：Q0 — 无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1； Ｚ2 2— 金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Ｚ2 2＝R2 2+ω 2L2 2
由式Z、L和式Q可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Q值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。因此Z、L、Q均是x的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、Q的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、Q的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。为实现电涡流位移测量，必须有专用的测量电路。这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如图6-3所示：延伸电缆前置器探头线圈输放大器振荡器检测电路O出磁通量涡流被测体图6-3电涡流位移特性实验原理框图根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理如图6一4所示。电路组成：（1)Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。(2)D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的元形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。(3)Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。18-1Ve+15Vc8-8C8-4工aC8-332C8~5图6—4电涡流变换器原理图15
15 由式 Z、L 和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗 Z、电感 L 和品质因数Ｑ值都 是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线 圈与金属导体间距离 x(H)的非线性函数。因此 Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。虽然它整个 函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实 Z、L、 Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到 被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就 成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境 温度不变，则只与距离 x 有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗 Z、L、Ｑ的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间 的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。这一测量电路（称之为前置器， 也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器 位移测量实验框图如图 6-3 所示： 图 6-3 电涡流位移特性实验原理框图 根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的 Q 值、等效 阻抗 Z 和等效电感 L 三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。 本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理如图 6—4 所示。电路组成：⑴ Q1、C1、C2、C3 组成电容三点式振荡器，产生频率为 1MHz 左右的正弦载波信号。电涡流传 感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引 起的振荡回路的 Q 值变化转换成高频载波信号的幅值变化。⑵D1、C5、L2、C6 组成了由二 极管和 LC 形成的π形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低 频信号取出来。⑶Q2 组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能 大的不失真输出的幅度值。 图 6—4 电涡流变换器原理图