电涡流行程传感器及转速测量

实验二 电涡流行程传感器及转速测量

【实验目的】

1. 了解电涡流传感器的原理及被测体材料对涡流传感器的影响。

2. 学会用示波器观察激振状态下的调制波形。

3. 学会用频率计、转速表测量转速。 【实验原理】

1. 电涡流传感器工作原理

如果将一个绕在骨架上的空心线圈与正弦交流电源接通,流过线圈的电流会在线圈周围空间产生交变磁场。当将导电的金属接近该线圈时，金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，这种电流称为“电涡流”，如图2-1（a ）所示。涡流的大小和金属导体的电阻率ρ，磁导率μ、厚度t 、线圈与金属导体的距离X ，以及线圈励磁电流的交变频率ω等参数有关。如果固定其中某些参数，就可根据涡流的大小来测量出另外一些参数。

图2-1 电涡流传感器作用原理及等效电路

为了简化问题，我们把金属导体理解为一个短路线圈，图2-1（b ）所示为电涡流传感器与被测体的等效电路。其中1R 、1L 为空心线圈的电阻和电感;2R 、2L 为短路线圈的电阻和电感;而M 则为两线圈的互感。根据等效电路可写出两个电压平衡方程式： E MI j I L j I R =-+21111ωω

022221=++-I L j I R MI j ωω （2-1）

将该方程联立求解可得：

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-+++=

22

2222

21222222211)()(L L R M

L j R L R M R E

I ωωωωωω （2-2） 22

22

21

21222212L R I MR j I L M L j R MI j I ωωωωω++=+= （2-3） 由（2-2）式可得空心线圈的总阻抗为：

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-+++==22

2222

21222222211)()(L L R M L j L R M R R I E Z ωωωωωω （2-4） 根据（2-4）式可进一步求出空心线圈的等效电阻eq R 、等效电感eq L 和等效品质因数eq Q ，即：

22

2222

21)(R L R M R R eq ωω++= （2-5） 22

2222

21)

(L L R M L L eq ωω++= （2-6） 2

22

22

2122

222221)()(L R M

R L L R M L Q eq ωωωωω++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-= （2-7） 由此可见，当线圈接近导体时，电器参数Z 、eq R 、eq L 、eq Q 等均为互感M 的函数,即为涡流线圈与金属导体间距离X 的函数。所以凡是引起涡流变化的电量和非电量，如金属的电阻率、磁导率、几何形状、线圈与导体间的距离等，均可通过测量涡流线圈的Z 、eq R 、

eq L 、eq Q 来确定，这便是电涡流传感器的工作原理。

2. 电涡流传感器测量电路

如上所述，电涡流传感器可以把涡流线圈和被测金属导体间的距离变化，转换为线圈等效电阻、等效电感、等效阻抗和等效品质因数的变化。测量电路的任务就是将这些变化量转化为电压或电流的变化，并加以显示。

实验采用的测量电路框图如图2-2所示，其中涡流线圈L 和测量电路中的电容C 组成谐振电路，谐振频率为：LC

f π21=

将振荡器的振荡频率取为∞f （∞→X 时谐振电路的谐振频率），在谐振状态下涡流线

圈的端电压为：

1Qe U =∞ （2-8）

图2-2 涡流传感器测量电路框图

式（2-8）中，Q 为谐振电路的品质因数，1e 为振荡器输出信号的幅度。当装置的初始零位调整好后，涡流线圈与被测导体间距离为0X ，相应的线圈初电感为0L ，谐振电路的初谐振频率为0f ，涡流线圈的端电压则为：

100e KQ U =

其中K 为与Q 有关的系数,0f 一般取为MHz 1左右。

图2-3 变频调幅测量电路原理

当0X 变化后,0L 、0Q 、0f 都要变化，例如0X 变为1X 或2X ,谐振频率变为1f 或2f （对一般金属,X 减小时f 增加），则变换器的端电压为1U 、2U ，且有：

1111e Q K U = 1222e Q K U =

此时端电压的增量121U U U -=∆正比于X ∆，见图2-3，通常为取得较大的线性范

围，将0f 置于线性段的中点。电涡流传感器的测量电路有多种类型，本实验采用的测量电路属于变频调幅式电路。

【实验仪器】

传感器实验仪、620-GOS 双踪MHz 20示波器、A DT 2234光电转速表、3166CN 频率计、微型调速电机、电涡流传感器、G JWY 30-直流稳压电源等。

【实验内容】

1. 电涡流传感器的静态标定

（1）装好传感器和测微头,使传感器对准铁片中心, 测微头对准平台中心孔。

（2）按图2-4接线。用导线将传感器接入涡流变换器的输入端，将输出端接电压表，将电压表置V 20档（根据需要及时改变电压表档位）。

图2-4 涡流传感器静态标定电路

（3）适当调节传感器高度，使其与被测铁片接触，电压表从零开始读数，调测微头，每隔mm 5.0用示波器观察涡流变换器输入端的信号幅度变化，同时在表2-1中记录直流数字电压表的读数Fe V 。

（4）根据实验数据，在坐标纸上画出X V Fe -曲线，指出大致线性范围，求出线性区测量灵敏度：X V S Fe Fe ∆∆=/。

2. 研究被测体材料对电涡流传感器特性的影响

（1）取下平台上的铁测片，换上铝测片，安装好涡流传感器，调整好位置，装好测微头。 （2）接线同图2-4，从传感器与被测铝片接触开始，旋动测微头改变传感器与被测体的距离，每隔mm 5.0用示波器观察涡流变换器输入端的信号幅度变化，同时在表2-2中记录直流数字电压表的读数Al V 。