渦流式測位移傳感器的設(shè)計(jì)-OK

1、傳感器與測控電路課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目電渦流式測位移傳感器的設(shè)計(jì)學(xué)校湖南科技大學(xué)專業(yè)機(jī)電工程學(xué)院班級 07級測控一班 學(xué)號 0703030112 設(shè)計(jì)人 謝忠明指導(dǎo)教0帀余以道楊書儀 完成日期一 20010 年 6 月 2£0設(shè)計(jì)題與要求基本康理簡述三、設(shè)計(jì)總體方案確定、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算,繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6五、測控電路的設(shè)計(jì)與計(jì)箕，繪制相應(yīng)的電路框圖及電路11六、精度誤差分析七、參考文獻(xiàn)一、設(shè)計(jì)題目與要求1、設(shè)計(jì)題目：電渦流式測位移傳感器的設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)要求：1. 工作在常溫、常壓、穩(wěn)態(tài)、環(huán)境良好；2. 精度滿足:0.1%fs；3測量范圍：1.52. 5mn4設(shè)計(jì)傳感器應(yīng)用電路

2、并i田i出電路圖（包括傳感器零件圖1張，裝配圖1張，電路 圖1張）；5 設(shè)計(jì)傳感器應(yīng)用電路并畫出電路圖。6.應(yīng)用范圍：測量物體的位移。二、基本原理簡述金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場屮，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水屮旋渦那樣在 導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器就是在 這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。要形成渦流必須具備下列二個(gè)條件：存在交變磁場； 導(dǎo)電體處于交變磁場之中。因此，渦流式傳感器主耍rti產(chǎn)生交變磁場的通電線圈和置于線 圈附近因而處于交變磁場中的金屬導(dǎo)體兩部分組成。金屬導(dǎo)體也可以是被測對象本身。a2o 莎9l2圖1渦流作用原理如上圖所示，如果把

3、一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電流人時(shí), 線圈的周圍空間就產(chǎn)生了正弦交變磁場丹】，處于此交變磁場屮的金屈導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生渦流厶, 此渦流也將產(chǎn)生交變磁場丹2,日2的方向與的局方向相反。由于磁場丹2的作用，渦流要消 耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化?？梢钥闯觯€圈與金屈導(dǎo)體z間存在著磁性聯(lián)系。若把導(dǎo)體形彖地看作一個(gè)短路線圈， 其間的關(guān)系可用圖1所示的電路來表示。線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)皿，它 將隨著間距x的減少而增人。根據(jù)克西荷夫定律，可列出方程rji-j=u鳳烏+應(yīng)22 -皿處1 = 0解之得11 =n n旳+尿+(%)2坨+込_ rt也2卅 +(

4、%)2 uml2 + j +席+(應(yīng)2尸 s式中盡、厶線圈的電阻和電感；倫、5金屈導(dǎo)體的電阻和電感;u線圈激勵電壓;由i】的表達(dá)式可以看岀線圈受到金屈導(dǎo)體影響后的等效阻抗為等效電阻、電感分別為r = r七瓦/（席+刊）z =厶-厶心2心；+期）在等效電感中，第一項(xiàng)厶與磁效應(yīng)有關(guān)。若金屬導(dǎo)體為非磁性材料，厶就是空心線圈的 電感。當(dāng)金屈導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，厶將增大，而且隨著x的變化而變化。第二項(xiàng)與渦流效應(yīng)有 關(guān)，渦流引起的反磁場兄將使電感減小，兀越小，電感減小的程度就越大。等效電阻氏總是比原有的電阻鳥來得大，這是因?yàn)闇u流損耗、磁滯損耗都將使阻抗的實(shí) 數(shù)部分增加。顯然，金屈導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能和線圈離導(dǎo)

5、體的距離將直接影響這實(shí)數(shù)部分的 大小。由式（3-79）也叮以得到線圈的品質(zhì)因數(shù)。為q = q式中°】無渦流影響時(shí)線圈的。值;n金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流的圓環(huán)部分的阻抗，s =丿用+（也2尸。由上可知，被測參數(shù)變化，既能引起線圈阻抗厶變化，也能引起線圈電感£和線圈。值變 化。所以渦流傳感器所用的轉(zhuǎn)換電路可以選用7°中的任一參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成電量， 即可達(dá)到測量的目的。這樣，金屬導(dǎo)體的電阻率"、磁導(dǎo)率化線圈與金屈導(dǎo)體的距離x以及 線圈激勵電流的角頻率等參數(shù)，都將通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生聯(lián)系?；蛘哒f, 線圈阻抗z是這些參數(shù)的函數(shù)，可寫成若能控制其中大部分參

6、數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù) 的單值函數(shù)。例如若被測材料的情況不變，阻抗z就成為距離兀的單值函數(shù)，便可做成渦流式 位移傳感器。三、總體設(shè)計(jì)方案的確定1 當(dāng)被測材料和激磁頻率一定吋，那么阻抗z的值將是位移x的單值函數(shù)，hp： zh(x)。因此當(dāng)x變化時(shí)，由于q值和l值的發(fā)生變化，導(dǎo)致z發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路, 可以把z的變化轉(zhuǎn)換為電壓v的變化，這樣就達(dá)到了非電量轉(zhuǎn)換為電量的目的。特別值得注 意的是由于反映了 q值的變化，因此無論傳感器靈敏度還是傳感器的線性范圍，都得到了人 大的提高。輸出電壓v與x的函數(shù)曲線只有在一段范圍內(nèi)呈線性，如圖2所示。其線性范圍的大小,

7、靈敏度的高低與線圈的形狀，大小有關(guān)。通過對各種形狀的線圈進(jìn)行了估算，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)得岀, 傳感器希望線性范國大，靈敏度高時(shí)，其線圈的形式最好是盡可能窄的扁平線圈，而線圈直 徑增大吋，線圈范圍也相應(yīng)的增大，傳感器的線性范圍一般為線圈外徑的1/3-1/5;因此設(shè)計(jì) 線圈的尺寸時(shí)，必須根據(jù)靈敏度及線性范圍的大小來決定。圖2電渦流傳感器的u-x特性曲線2測量電路的任務(wù)就是把位移x的變化變換為電壓或頻率的變化。可以用三種類型的測量電路：電橋電路，諧振電路，正反饋電路。本設(shè)計(jì)釆用定頻調(diào)幅式測量電路的方法。四. 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1) 、線圈外型尺寸的選擇線圈外型尺寸的計(jì)算主要是根據(jù)渦流式

8、位移傳感器所需的靈皺度和線性范圍來確定的。 電渦流傳感器屮靈敏度和線性范圍是主?？紤]的問題，而傳感器的靈敏度和線性范圍與產(chǎn)生 的磁場強(qiáng)度的分布有關(guān)，磁場沿徑向分布范圍大，則線性范圍就大，軸向磁場梯度大，則靈 敏度就高。所以應(yīng)先確定磁場強(qiáng)度。線圈為扁平狀時(shí)，靈敏度高，線圈內(nèi)徑改變時(shí)，只冇被測體與傳感器距離近時(shí)，靈敏度 變化不大，設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器的線性范圍一般取為線圈外徑的l/3-l/5o根據(jù)以上分析，考慮到測量位移要求靈敏度高，線性范圍大，于是選擇線圈的幾何尺寸 為：外徑 rl=7. 5mm；內(nèi)徑 r2=0. 75mm；厚度 b=lmmo(2) 、線圈骨架尺寸的選擇根據(jù)線圈的外徑尺寸，線圈骨架的外

9、徑選擇10呱其他尺寸如裝配圖所示。(3) 、渦流分布線圈尺寸的大小直接影響到電渦流徑向形成范圍。當(dāng)導(dǎo)體半徑20吋，產(chǎn)生的點(diǎn)渦流1=0, 以后隨半徑的增大電渦流也隨著增大；當(dāng)導(dǎo)體的半徑增大到rr2時(shí)，電渦流1二0, 般通常 取導(dǎo)體半徑r=1.89r2時(shí)，就認(rèn)為電渦流1=0時(shí)。由以上可知渦流的半徑與線圈半徑大小一樣。(4) 、線圈阻抗計(jì)算設(shè):線圈的電阻為r,自感量為l,則線圈的阻抗為z二r+jwl線圈電感l(wèi)的計(jì)算：線圈自感的理論計(jì)算比較麻煩，常用佩利捉出的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算用dl =xlo-9 (h)0.0369+ 0.14d+0.1240式屮，d為線圈平均半徑，b為線圈寬度，c為線圈厚度,n為線圈匝

10、數(shù)，= 根據(jù)d d 算式可計(jì)算出電感(5) 、電源頻率的確定金屈導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流所建立起來的反磁場以及渦流要消耗一部分能量，這些作用都將 “反射”回去，改變原激勵線圈阻抗。因此，等效阻抗z又稱為反射阻抗，等效電感l(wèi)又成 為反射電感。為了使反射效果更好，激勵頻率要高，貫穿深度較小。所以電源用高頻反射式, 對于高頻反射式可用下式來確定，即3 二2 兀 f所以有：f 二 3/2 h f(6) 、材料的選擇線圈電阻的損耗，在冇線圈骨架的情況下，通常包含冇磁損耗和導(dǎo)線的銅損耗。所以對 線圈的骨架材料要求損耗要小；熱膨脹系數(shù)??；電性能好。根據(jù)以上要求可選擇線圈 骨架材料為聚四氟乙烯高品質(zhì)因數(shù)塑料。線圈導(dǎo)線

11、一般選用高強(qiáng)度漆包線，多股適當(dāng)組合，如果要求導(dǎo)線損耗電阻小，可用銀線 或銀合金線，在高溫條件下，可使用銖鵠合金線。木設(shè)計(jì)選用多股較細(xì)的絞扭漆包線(能提 高q值)繞制而成，置于探頭的端部。(7) 、電渦流傳感器線圈冇兩種結(jié)構(gòu)：先繞制一個(gè)扁平線圈然后粘貼在框架上;在框架上先開一條椚，導(dǎo)線繞在槽內(nèi)而形成一個(gè) 線圈。兩種機(jī)構(gòu)本身沒冇優(yōu)劣性，選擇b作為線圈的結(jié)構(gòu)，如下圖所示：1線閱$2導(dǎo)線j 3基體（4 -縹絲*5每母$6導(dǎo)線槽&圖3渦流傳感器五. 測控電路設(shè)計(jì)及計(jì)算，繪制相應(yīng)的電路原理圖及電路圖測量屯路的任務(wù)就是把位移x的變化變換為電壓或頻率的變化。口j以用三種類型的測量電 路：電橋電路，諧振

12、電路，正反饋電路。口前所用的諧振電路有三種類型：定頻調(diào)幅式、變 頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。下圖是調(diào)幅法的原理圖。傳感器線圈與電容組成lc并聯(lián)諧振回路。它由有石英振蕩器輸 出高頻信號激勵，它的輸出電壓為： 心靑式中，詢?yōu)楦哳l激勵電流；z為lc冋路的阻 抗?？梢钥闯?，lc回路的阻抗z越人，回路的輸出電壓越人。圖4定頻調(diào)幅諧振電路的原理框圖測量開始前，傳感器遠(yuǎn)離初被測導(dǎo)體，調(diào)整lc冋路使其諧振頻率等于激勵振蕩器的振蕩 頻率。當(dāng)傳感器接近被測導(dǎo)體時(shí)，線圈的等效屯感發(fā)生變化，致使回路失諧而偏離激勵頻率, 回路的諧振峰將向左右移動，如下圖所示圖5調(diào)幅電路諧振曲線若被測導(dǎo)體為非磁性材料，傳感器線圈的等效電感減小，冋

13、路的諧振頻率提高，諧振峰右移, 回路所呈現(xiàn)的阻抗減小為z1，或z2，,輸岀電壓就將由u降為ulu2當(dāng)被導(dǎo)體為磁性材料 時(shí)，由于磁路的等效磁導(dǎo)率增大使傳感器線圈的等效電感增大，回路的諧振頻率降低，諧振 峰左移。阻抗和輸出電壓分別減小為z1或z2和ul或u2o因此，由輸出電壓的變化來表示 傳感器與被測導(dǎo)體間距離的變化。1.放人電路電渦流傳感器一般采用電橋放大電路，如下圖為單端反向輸入電橋放大電路。圖6電橋放大電路由圖可以徐"(陀)(牛航2 全波精密檢波電路r3r5m reoh k ii圖7精密檢波電路(1)當(dāng)vi>0, d1截止，d2導(dǎo)通r2因& =心=/?3 =他=2&a

14、mp;故有(2)當(dāng)vi<0, d2截止，d1導(dǎo)通5=0,匕一務(wù)=匕綜上所述:v,=ivj3.壓控電壓源型二階低通濾波電路r«r2 kor>n korwn圖8低通濾波電路濾波器的參數(shù)為:11 rlr2cc 2叫=丄（丄+丄）+匕乞g r r2 r2c2六. 精度誤差分析1. 線圈軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度在影響渦流損耗的諸因素屮，大多數(shù)因素是固定的或基木不變的，所以對渦流式傳感器 的工作起著重人影響的因索是金屬導(dǎo)體內(nèi)的磁場分布。尤其是對渦流式位移傳感器，磁場分 布對靈敬度和線性范圍起著決定性的作用。對傳感器來說，總是希望其靈敏度高，線性范圍大。欲使線性范圍大，就要求磁場軸向 分布范圍人

15、，欲使靈敏度高，就要求被測體在軸向移動吋渦流損耗功率的變化人，亦即軸向 磁場強(qiáng)度變化梯度大。圖9單匝載流導(dǎo)線在軸上產(chǎn)生的磁場圓環(huán)形單匝載流導(dǎo)線在軸上產(chǎn)牛的磁感應(yīng)強(qiáng)度（如上圖）根據(jù)畢奧-沙伐-拉普拉斯泄律可得式中 縄空氣磁導(dǎo)率；1激勵電流強(qiáng)度；r導(dǎo)線圓環(huán)半徑；x軸上點(diǎn)距導(dǎo)線圓環(huán)的距離。載流扁平線圈產(chǎn)牛的磁場是由若干導(dǎo)線圓環(huán)的磁場疊加而成。如下圖所示:圖10渦流冋路則通過截而必妙的電流為:in02 _dxdy式中r線圈匝數(shù);0、心、b線圈外、內(nèi)徑半徑和厚度。該電流在軸上距線圈端面處兀（即坐標(biāo)原點(diǎn)）所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為込 =22 3/2 = 2 » 2 和22 （”+b嚴(yán)2（勺-心（”+b

16、嚴(yán)整個(gè)線圈在此處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為傀1n2(% -川(x + b)ln空+(兀+ “尸h + j彳+0 +疔上式表明：軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度$是兀的函數(shù)，線圈的尺寸參數(shù)、廠】、“丿將對b宀特性產(chǎn)生 一定的影響，其間的關(guān)系比較復(fù)雜。固定其中兩個(gè)改變其中一個(gè)參數(shù)，圖11 bx-x特性口j以畫出如上圖所示的特性曲線。特性曲線表明，線圈外徑對軸上磁場分布范圍和磁感應(yīng)強(qiáng) 度變化梯度的影響較大，其它二個(gè)參數(shù)的影響較小。這就是說，線圈外徑越大，線性范圍將 越大，但靈敏度越低；反之，外徑越小，靈敏度越高，但線性范圍越小。一般說來，線性范 圍大約是線圈外徑的1"5。線圈內(nèi)徑的變化，只是在靠近線圈處靈敏度稍有不

17、同。線圈 厚度的變化也僅是在靠近線圈處對靈敏度稍冇影響。2. 渦流分布渦流只存在于金屈導(dǎo)體的表而薄層內(nèi)，在徑向也只冇一個(gè)冇限的范圍內(nèi)存在渦流，所以 實(shí)際上存在一個(gè)渦流區(qū)。但是在推算渦流損耗功率時(shí)，曾把渦流當(dāng)作均勻分布來處理。這是 不符合實(shí)際的。實(shí)際上，渦流分布是不均勻的、渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度是不同的。渦流范圍隨線圈外徑人小而變，并與線圈外徑冇固定的比例關(guān)系，線圈外徑確定后，渦流范 圍也就確定下來了。在線圈外徑處，渦流密度最大；在廠°如2以內(nèi)，基本上沒有渦流；在廠 二1&2處，渦流密度將衰減到最大值的5%。rft丁趨膚效應(yīng)，渦流只在衣面薄層內(nèi)存在，而月渦流密度的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的, 可用下式表示：式中人金屬導(dǎo)體