電渦流位移傳感器

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書題目：電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)教師職稱:副教授學(xué)院（系）：電氣工程系年級(jí)專業(yè):14級(jí)工業(yè)儀表1班學(xué) 號(hào):131203021060學(xué)生姓名:韓升升指導(dǎo)教師:程淑紅燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（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(shí)驗(yàn)中心名學(xué)生姓專業(yè)（班級(jí)）設(shè)計(jì)題電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)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【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(hào)發(fā)生電路原理與實(shí)用設(shè)計(jì)人民郵電出版社2010Arthur B.Williams 著寧彥卿譯電子濾波器設(shè)計(jì)科學(xué)技術(shù)出版社2008指導(dǎo)教師簽簽字基層教學(xué)單位主任說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師

2、、基層教學(xué)單位、系部各一份。5摘要電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)方案二、電渦流傳感器的基本原理目錄2.1電渦流傳感器工作原理2.2電渦流傳感器等效電路分析2.3電渦流傳感器測(cè)量電路原理三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)163.1電渦流透射式183.2電渦流反射式個(gè)人小結(jié)17參考文獻(xiàn)1718摘要隨著現(xiàn)代測(cè)量、控制盒自動(dòng)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(gè)領(lǐng)域的作用也日益顯著。傳感器技術(shù)的應(yīng)用在許多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家中,促使人們用經(jīng)得到普遍重視。 在工程中所要測(cè)量的參數(shù)大多數(shù)為非電量, 電測(cè)的方法來研究非電量，及研究用電測(cè)的方法測(cè)量非電量的儀器儀表,研究

3、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(cè)技術(shù) 中非常重要的檢測(cè)手段，廣泛的應(yīng)用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)、總體設(shè)計(jì)方案電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)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(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。電渦流傳感器以其長(zhǎng)期工作可靠性好、測(cè)量范圍寬、 靈敏度高、分辨率高、 響應(yīng)速度快、 抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)下面的組成框圖,構(gòu)成傳感器。竅測(cè)哥 敏感元件.非電量好 傳

4、感元件彳電參量測(cè)量電路卍電最根據(jù)組成框圖，具體說明各個(gè)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(cè)導(dǎo)體之間的相互作用，從而產(chǎn)生被測(cè)信號(hào)的部分，它是由多股漆包銅線繞制的一個(gè)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(gè)用環(huán)氧樹脂灌封并帶有導(dǎo)線的裝置，測(cè)量 電路完全裝在前置器中。(3)測(cè)量電路：是由渦流傳感器構(gòu)成，將測(cè)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

5、流ii時(shí),線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)Hi,它使置于此磁場(chǎng)中的被測(cè)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(shí)，電渦流i2 又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng) H2 ; H2與Hi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(cè)金屬導(dǎo)體的電 阻率P,磁導(dǎo)率卩，線圈與金屬導(dǎo)體的距離 x，以及線圈激勵(lì)電流的頻率 f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè)，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗 就成為這個(gè)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電渦流傳感器等效電路分析為了便于分析，把被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短

6、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 匝短路線圈，其中 R2，L2為被測(cè)導(dǎo)體的電阻和電感。探頭線圈和導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。U1為激勵(lì)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:2+ J CO L 2 / 2 7 ft) Mil - 0IA 171 -H 7 ft? i 171 7 ® M11 = U 1經(jīng)求解方程組，可得11和12表達(dá)式:i嚴(yán),'R. +R +昭一 E、哈叫尸八 I礙十仙心y 一-_ A/d 厶上 +- 疋+ （沏”由此可得傳感

7、器線圈的等效阻抗為Z二®詁+上亠乩+皿厶-E皿AR.WJ -噸+-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(shí)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，這種變化稱為反射阻抗作用。 所以電渦流傳感器的工作原理，實(shí)質(zhì)上是由于受到交 變磁場(chǎng)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。O) - M ' 二牛，Ttw M 一£ "厶"丘；+ 3LrZ表示成如因此，通過上述方程組的推導(dǎo)，可將探頭線圈的等效阻抗 下一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系：£ F g仕、P、f ）其中，x為檢測(cè)距離

8、；卩為被測(cè)體磁導(dǎo)率；P為被測(cè)體電阻率；f為線圈 中激勵(lì)電流頻率。所以，當(dāng)改變?cè)摵瘮?shù)中某一個(gè)量，而固定其他量時(shí)，就可以通過測(cè)量 等效阻抗Z的變化來確定該參數(shù)的變化。在目前的測(cè)量電路中，有通過測(cè) 量!_或AZ等來測(cè)量x , p,u,f的變化的電路。Z的測(cè)量2.3電渦流傳感器測(cè)量電路原理電渦流傳感器常用的測(cè)量電路有電橋電路和諧振電路，阻抗般用電橋，電感L的測(cè)量電路一般用諧振電路，其中諧振電路又分為調(diào) 頻式和調(diào)幅式電路。閨2-4電橋電路唸理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。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

9、狀態(tài)，使電橋平衡。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個(gè) 電渦流線圈組成的差動(dòng)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,九=1人7而諧振時(shí)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(shí)，回路的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(cè)量回路阻抗的方法或測(cè)量回路諧振頻率的方法間接測(cè)出傳感器的被測(cè)值。調(diào)頻式電路是通過測(cè)量諧振頻率的變化來進(jìn)行測(cè)

10、量,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于遙測(cè)和數(shù)字顯示；而調(diào)幅式電路是通過測(cè)量等效阻抗的變化來進(jìn)行測(cè) 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(cè)量電路為例，說明諧振法的測(cè)量原理，如圖2-5所示:A A N JtS Vx1j 7. HiTL淞披器諭出,國(guó)調(diào)闊式諧扼順理國(guó)從圖中可以看出LC諧振回路由一個(gè)頻率及幅值穩(wěn)定的晶體振蕩器提供一個(gè)高頻信號(hào)激勵(lì)諧振回路。LC回路的輸出電壓為"。擰(7) 中iO為激勵(lì)電流，Z為等效阻抗。測(cè)量中，當(dāng)探頭線圈遠(yuǎn)離被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，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(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，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)L-

11、X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(shí)現(xiàn)了將 關(guān)系轉(zhuǎn)換成V-X關(guān)系，通過對(duì)輸出電壓的測(cè)量，可確定電渦流傳感器線圈 與被測(cè)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(jìn)行測(cè)量的本設(shè)計(jì)采用渦流轉(zhuǎn)換器，其工作原理是諧振式調(diào)幅電路。:'mi和Ifl =«svMr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。L曰西勒振蕩器是一種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器,它是克拉波電路的改進(jìn)電路。這種電路頻率穩(wěn)定性高。 因?yàn)榭赏ㄟ^C4改變振蕩頻率，

12、且接入系 數(shù)不受C4影響，所以在整個(gè)波段中振蕩振幅比較平穩(wěn)。真兩點(diǎn)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f 1/2 JlC 。C式中，C1C2C3C1C2 C2C3 C3C1C4'。其中，C1 C1 C0 ；C2C2Ci當(dāng)C3C1及C3 C2時(shí)，振蕩頻率為foC4)與受輸入輸出電容（包括閑散電容）影響的C1與C2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C4來調(diào)整。因C3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(shí)際應(yīng)用較多。=C1=C2西勒振蕩等效電路圖上圖為在實(shí)際應(yīng)用中的西勒電路改進(jìn)型，在實(shí)際應(yīng)用中可用可調(diào)電 感，而

13、可調(diào)電容換成固定電容。 在大多數(shù)電視機(jī)中大多采用西勒振蕩電路。此時(shí)的振蕩頻率為f 1/2 JLC*o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OUTGNDGNDLC濾波電路1直流電由輸入端進(jìn)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?，因此有部分正弦波?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(shí)驗(yàn)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

14、 透射試驗(yàn)和反射實(shí)驗(yàn)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(lì)，貫穿深度大，適用于測(cè)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(cè)金屬板的兩側(cè)。當(dāng)?shù)皖l激勵(lì)電壓加到線圈 L1兩端時(shí)，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(chǎng)就能直接貫時(shí)電壓達(dá)到最大。當(dāng)有金屬板后，其產(chǎn)生的渦流削弱了L1的磁場(chǎng)，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(duì)于不同材質(zhì)的特性不通所得的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不相同。當(dāng)傳感器激勵(lì)頻率升高后其透射后的電壓

15、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顯大于低頻是電壓下降到幅度！說明導(dǎo)體對(duì)渦流傳感器在高頻 時(shí)吸收率更高，更有利于低頻是的磁場(chǎng)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(jiǎn)單，由一個(gè) 扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。 線圈用高強(qiáng)度漆包銅線或銀線繞制 （高溫時(shí) 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(lì)頻率較高，對(duì)所用的電纜與插頭也要充分重視。對(duì)于電渦流傳感器線圈

16、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入鐵心之分加入鐵心可以感受較弱的磁場(chǎng)。對(duì)被測(cè)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。F面對(duì)變間隙式的電渦流傳感器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,位移mm00.511.522.533.54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910111213141516mm電壓v7.017.127.207.277.317

17、.367.397.41通過matlab擬合數(shù)據(jù)找出其最適合測(cè)量的線性區(qū)間。下圖為使用matlab擬合直線數(shù)據(jù)圖Eile £dit 里吃w Insert Tools Qesktop ffindow 出Ip od*. -<o®' a ns變間隙反射式試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖圖15個(gè)人小結(jié)在這幾天的課程設(shè)計(jì)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(shí)儲(chǔ)備實(shí)在太少。在課程設(shè)計(jì)中每天不斷的查資料分析電路，要找出試驗(yàn)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,其是在西勒振蕩器的查找時(shí),面對(duì)一個(gè)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(hào)發(fā)生電路的相關(guān)書籍。才找到了類似的電路,課程在經(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。設(shè)計(jì)真的不容易。對(duì)我的提高確實(shí)很大。參考文獻(xiàn)：張玉龍等.【傳感器電路設(shè)計(jì)手冊(cè)】中國(guó)計(jì)量出版社.1989年李科杰等.【新編傳感器技術(shù)手冊(cè)】.國(guó)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楊寶清，【孫寶元.傳感器及其應(yīng)用手冊(cè)】.2004年單成祥.【傳感器的理論與設(shè)計(jì)