電渦流位移傳感器

1、傳感器課程設(shè)計燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書題目：電渦流位移傳感器設(shè)計學(xué)院（系）： 電氣工程系年級專業(yè)： 14級工業(yè)儀表1班學(xué) 號： 131203021060學(xué)生姓名： 韓升升指導(dǎo)教師： 程淑紅 教師職稱： 副教授 燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：電子實驗中心 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目 電渦流位移傳感器設(shè)計 設(shè)計技術(shù)參數(shù)工作計劃1 答辯并寫好任務(wù)書2 畫出電路圖和探頭部分結(jié)構(gòu)圖參考資料【1】賈伯年 傳感器技術(shù) 東南大學(xué)出版社 2007【2】林志琦 信號發(fā)生電路原理與實用設(shè)計 人民郵電出版社 2010【3】Arthur B.Williams 著

2、寧彥卿 譯 電子濾波器設(shè)計 科學(xué)技術(shù)出版社 2008指導(dǎo)教師簽字 基層教學(xué)單位主任簽字 說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年 月 日 目錄摘要4電渦流位移傳感器設(shè)計5一、總體設(shè)計方案5二、電渦流傳感器的基本原理62.1 電渦流傳感器工作原理62.2 電渦流傳感器等效電路分析62.3 電渦流傳感器測量電路原理8三、實驗數(shù)據(jù)133.1 電渦流透射式133.2 電渦流反射式14個人小結(jié)17 參考文獻17摘要隨著現(xiàn)代測量、控制盒自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越受到人們的重視。特別是近年來，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及生態(tài)平衡的需要，傳感器在各個領(lǐng)域的作用也日益顯著。傳感器技術(shù)的應(yīng)

3、用在許多個發(fā)達國家中，已經(jīng)得到普遍重視。在工程中所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，及研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速的非電量技術(shù)。電渦流傳感器已成為目前電測技術(shù)中非常重要的檢測手段，廣泛的應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實驗中。關(guān)鍵詞：電渦流式傳感器 傳感器技術(shù) 電量非電量電渦流位移傳感器設(shè)計一、總體設(shè)計方案電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范

4、圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 根據(jù)下面的組成框圖，構(gòu)成傳感器。根據(jù)組成框圖，具體說明各個組成部分的材料：（1）敏感元件：傳感器探頭線圈是通過與被測導(dǎo)體之間的相互作用，從而產(chǎn)生被測信號的部分，它是由多股漆包銅線繞制的一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成，線圈框架的材料是聚四氟乙烯，其順耗小，電性能好，熱膨脹系數(shù)小。（2）傳感元件: 前置器是一個用環(huán)氧樹脂灌封并帶有導(dǎo)線的裝置，測量電路完全裝在前置器中。（3）測量電路：是由渦流傳感器構(gòu)成，將測量信息轉(zhuǎn)換為直流電量輸出。本電路采用西勒振蕩電路產(chǎn)生振蕩頻率，在經(jīng)過濾波產(chǎn)生直流電量。二、電渦流傳感器的基

5、本原理2.1 電渦流傳感器工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流，如圖2-2中所示。與此同時，電渦流i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導(dǎo)致探頭線圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測金屬導(dǎo)體的電阻率，磁導(dǎo)率，線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，以及線圈激勵電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小。電渦流傳感器的工作原理，如圖2-2所示：2.2 電渦流傳

6、感器等效電路分析為了便于分析，把被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，這樣就可以得到如圖2-3所示的等效電路。圖中R1，L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其中R2，L2為被測導(dǎo)體的電阻和電感。探頭線圈和導(dǎo)體之間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。U1為激勵電壓，根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式，上圖等效電路的平衡方程式如下：經(jīng)求解方程組，可得I1和I2表達式：由此可得傳感器線圈的等效阻抗為:從而得到探頭線圈等效電阻和電感。通過式（2-4）的方程式可見：渦流的影響使得線圈阻抗的實部等效電阻增加，而虛部等效電感減小，從而使線圈阻抗發(fā)生了變化，這種

7、變化稱為反射阻抗作用。所以電渦流傳感器的工作原理，實質(zhì)上是由于受到交變磁場影響的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)線圈原來阻抗的作用。因此，通過上述方程組的推導(dǎo)，可將探頭線圈的等效阻抗Z表示成如下一個簡單的函數(shù)關(guān)系：其中，x為檢測距離；為被測體磁導(dǎo)率；為被測體電阻率；f為線圈中激勵電流頻率。所以，當(dāng)改變該函數(shù)中某一個量，而固定其他量時，就可以通過測量等效阻抗Z的變化來確定該參數(shù)的變化。在目前的測量電路中，有通過測量L或Z等來測量x ,f的變化的電路。2.3 電渦流傳感器測量電路原理電渦流傳感器常用的測量電路有電橋電路和諧振電路，阻抗Z的測量一般用電橋，電感L的測量電路一般用諧振電路，其中諧振電路又分為

8、調(diào)頻式和調(diào)幅式電路。電橋法是將傳感器線圈的等效阻抗變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。圖2-4為電橋法的原理圖。圖中A，B兩線圈作為傳感器線圈。傳感器線圈與兩電容的并聯(lián)阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。諧振法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為，諧振時回路的等效阻抗最大，Z =L/RC，其中R為諧振回路等效電阻。當(dāng)線圈電感L發(fā)生變化時，回路的

9、等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化為變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。調(diào)頻式電路是通過測量諧振頻率的變化來進行測量，其結(jié)構(gòu)簡單，便于遙測和數(shù)字顯示；而調(diào)幅式電路是通過測量等效阻抗的變化來進行測量，由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高。下面以調(diào)幅式測量電路為例，說明諧振法的測量原理，如圖2-5所示：從圖中可以看出LC諧振回路由一個頻率及幅值穩(wěn)定的晶體振蕩器提供一個高頻信號激勵諧振回路。LC回路的輸出電壓為，其中i0為激勵電流，Z為等效阻抗。測量中，當(dāng)探頭線圈遠(yuǎn)離被測金屬導(dǎo)體時，LC回路處于諧振狀態(tài)，諧振回路上的輸出電壓最大；當(dāng)探頭線圈接近被測金

10、屬導(dǎo)體時，線圈的等效電感發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧而等效阻抗發(fā)生變化，使輸出電壓下降。輸出的電壓再經(jīng)過放大，檢波，濾波后由指示儀器（電壓表）讀出，或輸入示波器顯示電壓波形。這樣就實現(xiàn)了將L-x關(guān)系轉(zhuǎn)換成V-x關(guān)系，通過對輸出電壓的測量，可確定電渦流傳感器線圈與被測金屬導(dǎo)體之間的距離x。電渦流傳感器就是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進行測量的本設(shè)計采用渦流轉(zhuǎn)換器，其工作原理是諧振式調(diào)幅電路。 渦流轉(zhuǎn)換器等效電路圖 圖1 從渦流轉(zhuǎn)換的等效電流圖可分析出線圈震蕩電流有渦流轉(zhuǎn)換器提供。是由其中的西勒振蕩電路提供震蕩電流。下圖為西勒振蕩電路。 西勒震蕩電路圖 圖2西勒振蕩器是一種改進型的電容反饋振

11、蕩器， 它是克拉波電路的改進電路。這種電路頻率穩(wěn)定性高。因為可通過C4改變振蕩頻率，且接入系數(shù)不受C4影響，所以在整個波段中振蕩振幅比較平穩(wěn)。真兩點使西勒電路的頻率能在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。西勒振蕩電路的頻率為 。式中， 。其中，；當(dāng)及時，振蕩頻率為 ,與受輸入輸出電容（包括閑散電容）影響的與 無關(guān)，因此提高了振蕩頻率的穩(wěn)定性。西勒振蕩電路的振蕩頻率可以通過改變來調(diào)整。因比克拉波電路取值大！故頻率覆蓋系數(shù)大，易調(diào)整，頻率穩(wěn)定度高，實際應(yīng)用較多。 西勒振蕩等效電路圖 圖3上圖為在實際應(yīng)用中的西勒電路改進型，在實際應(yīng)用中可用可調(diào)電感，而可調(diào)電容換成固定電容。在大多數(shù)電視機中大多采用西勒振蕩電路。此時

12、的振蕩頻率為 。由渦流轉(zhuǎn)換器電路圖可知，西勒電路產(chǎn)生的電流從振蕩器輸出端輸出后，經(jīng)過上下兩部分濾波電路，濾去交流。剩下直流電流從轉(zhuǎn)換器的輸出端輸出。上部濾波電路為 LC濾波電路1 圖7直流電由輸入端進入后經(jīng)由LC低通濾波器后由輸出端輸出直流分量。下部LC濾波器在二極管之后如圖所示， LC濾波電路2 圖8由于二極管有單向?qū)ㄐ裕虼擞胁糠终也ń?jīng)由二極管，而形成半波正弦波。在通過下部LC低通濾波器濾去交流分量。從而輸出直流分量。三、實驗數(shù)據(jù)電渦流傳感器有傳感器有兩種結(jié)構(gòu)類型，分別為透射式和反射式。即透射試驗和反射實驗3.1 電渦流透射式穿L2，這這種類型與反射式主要不同在于它采用低頻激勵，貫穿深

13、度大，適用于測量金屬材料的厚度。下圖為其工作示意圖， 透射式電渦流傳感器工作原理圖 圖9傳感器由發(fā)射線圈L1和接受線圈L2組成，它們分別位于被測金屬板的兩側(cè)。當(dāng)?shù)皖l激勵電壓加到線圈L1兩端時，將在L2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若兩線圈之間無金屬導(dǎo)體，L1的磁場就能直接貫時電壓達到最大。當(dāng)有金屬板后，其產(chǎn)生的渦流削弱了L1的磁場，造成電壓下降。金屬板厚度越大，渦流損耗的就越大，電壓也就越小。因此可用電壓大小反應(yīng)金屬般的厚度！而且對于不同材質(zhì)的特性不通所得的實驗現(xiàn)象也不相同。當(dāng)傳感器激勵頻率升高后其透射后的電壓增大了，但從低頻到高頻過程中再有無導(dǎo)體的情況下，電壓的下降幅度也不同！在高頻境況下電壓下降幅度明

14、顯大于低頻是電壓下降到幅度！說明導(dǎo)體對渦流傳感器在高頻時吸收率更高，更有利于低頻是的磁場通過。3.2 電渦流反射式 反射式中，變間隙是最常用的的一種結(jié)構(gòu)式。他的結(jié)構(gòu)簡單，由一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強度漆包銅線或銀線繞制（高溫時也采用鎢線），用粘合劑在框架端部或繞制在框架槽內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示， 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖14 線圈框架應(yīng)采用損耗小、電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料，常用高頻陶瓷、聚酰亞胺、環(huán)氧玻璃纖維等。由于激勵頻率較高，對所用的電纜與插頭也要充分重視。對于電渦流傳感器線圈外徑大，線性范圍也就大，但靈敏度低；反之線圈外徑小，靈敏度高，但線性范圍小。除此之外也有加入不加

15、入鐵心之分加入鐵心可以感受較弱的磁場。對被測導(dǎo)體的大小和形狀也與靈敏度密切相關(guān)。而且除反射式外還有變面積式和螺管式兩種。 下面對變間隙式的電渦流傳感器進行試驗測量，并記錄數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)處理，位移mm00.5 11.522.533.54電壓v000.81.642.383.073.74.274.78位移mm4.555.566.577.588.5電壓v5.225.615.946.216.436.616.756.856.94位移mm910111213141516電壓v7.017.127.207.277.317.367.397.41 通過matlab擬合數(shù)據(jù)找出其最適合測量的線性區(qū)間。下圖為使用mat

16、lab擬合直線數(shù)據(jù)圖 變間隙反射式試驗數(shù)據(jù)擬合圖 圖15個人小結(jié)在這幾天的課程設(shè)計中我學(xué)到了許多，既有有因無從下手和失敗而迷茫和沮喪，也有獲得成功后的沾沾自喜。而且發(fā)現(xiàn)自己的知識儲備實在太少。在課程設(shè)計中每天不斷的查資料分析電路，要找出試驗電路和經(jīng)典電路之間的共性，還要通過變換把復(fù)雜的電路變換成熟知的基本電路，尤其是在西勒振蕩器的查找時，面對一個陌生的電路根本無從下手。還是老師指導(dǎo)我去圖書館查找信號發(fā)生電路的相關(guān)書籍。才找到了類似的電路，在經(jīng)過自己的認(rèn)真分析，最終確定了它是西勒振蕩電路的衍生版本。課程設(shè)計真的不容易。對我的提高確實很大。參考文獻：張玉龍等.【傳感器電路設(shè)計手冊】中國計量出版社.1989年 李科杰等.【新編傳感器技術(shù)手冊】.國防工業(yè)出版社.2002年 吳桂秀.【傳感器應(yīng)用制作入門】.浙江科學(xué)技術(shù)出版社.2004年 楊寶清，【孫寶元. 傳感器及其應(yīng)用手冊】. 2004年 單成祥. 【傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用】. 國防工業(yè)出版社. 1999年 殷淑英.【傳感器應(yīng)用技術(shù).冶金工業(yè)出版社】.2008年 燕山