实验二 电涡流传感器位移实验

实验二 电涡流传感器位移实验

一、实验目的

1．了解涡流式传感器的原理及工作性能。

2．熟悉实验仪器，掌握传感器使用过程中的注意事项。

二、结构和原理(此部分不用写在实验报告上)

电涡流传感器是一种能将机械位移，振幅和转速等参量转换成电信号输出的非电量电测装置。它由探头，变换器，连接电缆及被测导体组成，是实现非接触测量的理想工具。其最大特点就是结构简单，可以实现非接触测量，具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽、体积小等特点，因此在工业测量领域得到了越来越广泛的应用。

1. 涡流效应

当金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流就像水中的漩涡那样，在导体内部形成闭合回路，我们通常称之为“电涡流”，称这种现象为“涡流效应”。电涡流传感器就是在涡流效应的基础上建立起来的。

2．电涡流传感器的基本结构 I1 H1 r R1 I1 M I2 H2 s U1 L1 L2 R2

2 I2 , 1—传感线圈；2—金属导体

图3.9.1 电涡流式传感器基本原理示意图

图3.9.2 等效电路

电涡流传感器的基本原理如图3.9.1所示。一个通有交变电流I1的传感线圈，由于电流的周期性变化，在线圈周围就产生了一个交变磁场H1。如被测导体置于该磁场范围之内，被测导体便产生涡流I2，电涡流也将产生一个新的磁场H2，H2和H1方向相反，由于磁场

H2的反作用使通电线圈的等效阻抗发生变化。

当金属导体靠近线圈时，金属导体产生涡流的大小与金属导体的电阻率、磁导率、厚度t、线圈与金属导体间的距离s以及线圈激励电流的大小和角频率等参数有关。如固定其中某些参数，就能按涡流的大小测量出另外一些参数。为了简化问题，我们把金属导体 理解为一个短路线圈，并用R2表示这个短路线圈的电阻；用L2表示它的电感；用M表示

它与空心线圈之间的互感；再假设电涡流空心线圈的电阻与电感分别为R1和L1，就可画出如图3.9.2所示的等效电路。

经推导电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗为

U2M21ZR1R22I1R22L222M2jLL2RjL 1R22L222式中 R—电涡流线圈工作时的等效电阻；

L—电涡流线圈工作时的等效电感。

由上式可知，等效电阻、等效电感都是此系统互感系数平方的函数。因此，只有当测距范围较小时才能保证一定的线性度。凡是能引起涡流变化的非电量，例如金属的电导率、磁导率、几何形状、线圈与导体间的距离等，均可通过测量线圈的等效电阻、等效电感、等效阻抗来获得，这就是电涡流式传感器的工作原理。

3．测量电路

电涡流式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，与其平行的金属片上产生电涡流，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、温度以及线圈的距离X有关。本实验研究的是当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换成电压V输出，使输出电压是距离X的单值函数。测量电路如图1.9.3所示。

三、实验内容

（一）实验所需单元及部件

涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。

（二）实验步骤

1. 装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。

2.观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。

3.用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至F/V表，电压表置于20V档，见图3.9.3，开启主、副电源。

图3.9.3 电涡流传感器位移测量电路

4.调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示波器及电压表的数值，填入下表3-9-1：

建议每隔0.10mm读数，到线性严重变坏为止。根据实验数据。在座标纸上画出V-X曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度。（最好能用误差理论的方法，如端点法或其它拟合直线，求出线性范围内的线性度、灵敏度）。

表3-9-1 位移及电压数据表

X(mm) Vp-p(v) V(v) „ „ „ （三）实验注意事项

1．被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。

2．实验完成后，先必须关闭主、副电源，再拆去实验连线。

四、思考题

电涡流传感器的等效输入电感随位移的增加是增大还是减小?