电涡流传感器实验

电涡流式传感器

传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，在现代科学技术领域中的地位越来越重要。各类传感器的研制、推广和使用飞速发展，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术将是二十一世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。实际应用中，人们通常把将非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。电涡流式传感器是建立在涡流效应原理上的一种传感器。利用它可以把距离的变化转换为电量的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；也可以利用它把电阻率的变化转换成电量的变化，做成表面温度、电介质的浓度等传感器；还可以利用它把磁导率的变化转换为电量的变化，做成应力、硬度等传感器。 电涡流式传感器能够实现非接触测量，而且还具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单及安装方便等优点。因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。

【实验目的】

1．了解电涡流式传感器的工作原理。

2．掌握静态标定的方法，了解被测材料对电涡流式传感器特性的影响。

3．掌握电涡流传感器测量振幅的方法

4．了解由电涡流式传感器组成的电子称的标定和

测量方法。

【实验原理】

1．电涡流式传感器工作原理

电涡流传感器有高频反射式和低频透射式两种，高

频反射式应用较广。本实验使用高频反射式。

如图6.2-2所示，在一金属导体上方放置一个线

圈，当线圈中通入交变电流I 1时，线圈的周围空间

就产生了交变磁场H 1，则金属导体中将产生感生电流I 2，由于I 2呈涡旋状，故称为电涡流。而此电涡

流将产生交变磁场H 2，它的方向与磁场H 1方向相

反，由于磁场H 2的反作用使导电线圈的电感量、阻

抗及品质因数等发生变化，这些参数变化量的大小

与金属导体的电阻率、磁导率、几何形状、激励电

流以及线圈与金属导体间的距离等有关。限制其中其它参数不变，只让其中某一个参数变化，就构成

了测量该参数的传感器。

涡流效应可等效为如图6.2-3所示的等效电路。图中，R 1和L 1为传感器线圈的电阻和电感，R 2和L 2为金属导体等效的电阻和电感，各自的电流为I 1、I 2 ，U 为激励电压，M 为互感系数。

根据基尔霍夫定律可以写出方程

⎩⎨⎧=-+=-+0

1222221111MI j I L j I R U MI j I L j I R ωωωω 以上两式联立解得传感线圈中的电流1I 为

⎥

⎦⎤⎢⎣⎡+-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=2222222212222222211L R L M L j L R R M R U

I ωωωωω 图 6.2-3 等效电路 R 2 U L 1 L 2 R 1 I 1 I 2 M 图6.2-2 电涡流传感器工作原理 I 1

上式的分母即为线圈受涡流产生的磁场H 2影响后的阻抗

L j R I U Z ω+==1

1 其中，线圈等效电阻 2

2

2222221L R R M R R ωω++= 线圈等效电抗 2

2

2222221L R L M L L ωω+-= 由此可算出线圈的品质因数 R

L Q ω= 而无涡流效应时线圈的品质因数为 Q =11/R L ω。

可见，R 、L 、Q 均为M 的函数。而互感系数M 决定于线圈靠近金属导体的程度，随着线圈与金属导体离得越近，互感M 值越大，涡流效应引起上述参数的变化也越大，表现为涡流损耗的功率增大，线圈回路的Q 值降低。电涡流传感器的基本原理就是将传感器与被测体间的距离转换为传感器的品质因数Q 值、等效阻抗Z 及等效电感L 三个参量，并用相应的测量电路来测量。

2．电涡流传感器的测量电路

本实验中电涡流传感器的测量电路采用定频调幅式测量电路。测量电路中提供一个稳定性很高的振荡信号，它是由石英晶体振荡器产生，其频率一般选在1MHz~2MHz 。通常采用一个电容C 与电涡流线圈L 并联，构成并联谐振回路，其谐振频率为

LC πν210=

传感器线圈作为振荡回路的一个电感元件与电容构成基本电路单元。振荡器的输出信号经电阻R 加到传感器上。其作用是将位移变化引起的振荡回路阻抗的变化转化为高频载波信号的幅度变化。当没有被测导体时，使谐振回路产生谐振，回路谐振频率为ν0，当与被测导体接近时，回路将失谐，使回路Q 值降低，振荡幅值下降，ν也发生变化。阻抗Z 也发生变化。

传感器LC 回路的阻抗变化既反映了电感的变化，又反映了Q 值变化。发生谐振时回路的等效阻抗最大。此时阻抗最高，对应的输出电压U 0最大。当被测导体接近传感器线圈时，电感线圈L 感应的高频电磁场作用于被测导体，由表面的涡流反射作用，使电感量L 变小，导致回路失谐，回路的等效阻抗相应减小，对应的输出电压U 值减少。因此通过对输出电压的测量，就可以确定距离x 的大小。

实际上，参数R 、L 、Q 均是M 的非线性函数，即与距离x 呈非线性关系。但在某一小范围内可以将这些函数关系近似地用线性函数表示，即电涡流位移传感器只能在一定范围内呈线性关系。可以用电涡流传感器在这段线性范围内测量位移、振幅等物理量。

【实验仪器】

CSY 10系列传感器系统实验仪、双踪示波器等。

【实验内容】

1．电涡流传感器的静态标定

（1）选择实验所需部件：电涡流传感器、涡流变换

器、螺旋测微仪、电压表。 （2）按图6.2-4连接电路，安装好电涡流线圈与金属

片，注意两者必须保持平行，安装好测微仪，

将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变

换器输出端接电压／频率表20V 档。

（3）开启主机电源与副电源，用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压应为零（可适当改变支架中的线圈角度，若不为零记下零点偏移量） 。然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，从电压表有读数时每隔0.5mm 记录一个电压值，共记约14组数据。将U 、x 数值填入自己设计的表格内，作出U~x 曲线，指出线性范围，求出灵敏度。

（4）将示波器接涡流变换器输入端口，观察电涡流传感器的激励信号频率，随着线圈与电涡流片距离的变化，信号幅度也发生变化，当涡流片紧贴线圈时电路停振，输出为零。

2．比较不同被测材料对电涡流传感器特性的影响

电涡流传感器中线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一部分则是被测导体，因此线圈阻抗的变化还与被测导体的材料、形状、大小有关。一般情况下，被测体导电率越高，灵敏度越高，在相同的量程下，其线性范围越宽。此外被测体的形状和大小对测量也有影响。当被测体的面积比传感器线圈面积大很多时，传感器灵敏度基本不发生变化；当被测体面积为传感器一半时，其灵敏度减少一半；更小时，灵敏度则显著减小。因此需对不同的被测材料分别进行标定。

（1）按内容1的要求分别对铁、铜、铝涡流片进行测试与标定，记录数据，在同一坐标上作出U~x 曲线。

（2）分别找出不同材料被测体的线性工作

范围、灵敏度、最佳工作点，进行比较并做出

定性的结论。

3．振幅测量

（1）选择所需部件：电涡流传感器、涡流

变换器、直流稳压电源、电桥、差动放大器、

激振器I 、低频振荡器等，按图6.2-5接线。

（2）差动放大器调零。

（3）换回被测铁片，将测微头旋至离开振

动台，将电涡流传感器的线圈安装在与被测铁片的最佳工作距离上（即线性区域的中点位置），利用差放和电桥电位器W D 所组成的电平移动电路将输出电压调节为零，此时振动台处于平衡位置。

（4）移动振动台至上、下偏离位置，观察输出电压的变化，若平衡位置恰为传感器的最佳工作点上，则电压的双向指示值应对称，若不对称需重新安装传感器线圈与被测铁片的位置，寻找最佳工作点。

（5）选好最佳工作点后，用双踪示波器的一个通道在A 点观察涡流传感器的高频振荡波形，并测出其振荡频率ν。

（6）将低频振荡器的低频输出信号接入激振器I ，缓慢加大增益使振动台产生适当振幅的振动，调节振动频率范围1～30Hz ，观察振动台振动状态，记下共振频率ν0。

（7）再将示波器的另一个通道接入在B 点观察涡流变换器的输出电压波形，适当调节低频振荡器的增益以保证输出电压波形不失真，用示波器测出U p-p 值大小。

（8）根据实验内容1的结果（即当被测材料为铁片时，对电涡流传感器进行静态标定所得的灵敏度S n ）估算出振动台振幅大小

n p

p S U A 2-=

4．电涡流传感器组成的电子秤

（1）按图6.2-5接线，调节好差动放大器的零点，将差放的输出接电压表20V 档。