传感器实验重点

传感器实验精 04 张为昭 2010010591

实验二电涡流传感器变换特性

一、实验目的

1. 了解电涡流传感器的结构、工作原理及应用;

2. 了解电涡流传感器调频电路的特点,测试电涡流传感器变换特性。二、实验装置及原理

1. 装置

图 2.1 电涡流传感器装置

2. 原理

涡流传感器是七十年代以后发展较快的一种新型传感器。它广泛应用在位移振动监测、金属材质鉴别、无损探伤等技术领域中。

涡流传感器通常由扁平环形线圈组成。在线圈中通以高频(通常为 2.5MHz 左右电流, 则在线圈中产生高频交变磁场。当导电金属板接近线圈时, 交变磁场在板的表面层内产生感应电流即涡流。涡电流又产生一个反方向的磁场, 从而减弱了线圈的原磁场,也就改变了原线圈的自感量 L 、阻抗 Z 及 Q 值。线圈上述参数的变化在其它条件不变的情况下仅是线圈与金属板之间距离的单值函数。

实验中采用了测量线圈自感量 L 的调频电路, 即把线圈作为谐振回路的一个电感元件。当线圈与金属板之间距离 h 发生变化时, 谐振回路的频率 f 也发生变化,再用鉴频器将频率变化转换成电压变化输出。

图 2.2 电涡流传感器原理

三、实验内容及步骤

1. 测量前置器输出频率 f 与距离 h 之间的关系;输出电压 V 与距离 h

之间

的关系。

(1被测金属板先采用铝板。转动微调机构或千分尺使金属板与传感器端面接触即 h =0, 记下相应的输出信号频率, 然后改变 h 并记下相应的输出频率 f 的数值于表 2-1中。

(2改变 h 并记下涡电流传感器相应的输出电压峰峰值于表 2-2中。

(3改变 h 并记下测量电路最终的输出电压于表 2-3中。

2. 换上钢板重复 1的步骤, 注意钢板在与传感器距离很小时传感器无输出, 调整距离至有输出时作为零点,再开始进行后续测量。

3. 估测电涡流传感器的工作测量范围:

铝板:1.5mm

钢板:1.5mm (相对零点的位移

四、数据整理及问题分析

1. 实验数据整理

2. 数据处理及分析

传感器输出频率与 h 的关系如图 2.3所示。

图 2.3 传感器输出频率与 h 的关系

传感器输出信号的峰峰值与 h 的关系如图 2.4所示。

图 2.4 传感器输出信号的峰峰值与 h 的关系

传感器电路最终的输出值与 h 的关系如图 2.5所示。

图 2.5 传感器电路最终的输出值与 h 的关系

数据分析:由以上三个曲线可以发现: (1电涡流传感器的滞回现象不明显;

(2测量铝板时,频率随距离增大而降低,这是因为铝为非磁性材料,线

圈等效电感 22

1222222M L L L R L ωω=-+中第一项不变,第二项代数值随距离增加而增

加,由于 f =

,频率下降。而在测量钢板时,频率先上升再下降,这是

因为钢为磁性材料, 有效导磁率影响的电感 L 1随距离增大而减小, 电涡流产生的

电感的代数值 -L 2w2M 2R 22+w2L 2

2

随距离增大而增大,二者叠加,导致总的线圈等效电感随距离先减小后增大, 使频率先增大后减小。同时注意到距离很近时钢板的频率测试有滞回现象,这可能是因为钢板为导磁材料,测量时产生的电涡流大, 发热温升高,使电感发生了变化(增大。

(3两种材料的电压输出均随距离增大而增大,但均有饱和区。铝板的上升段线性度较好, 钢板则分成了两端线性度较好的部分, 第一段灵敏度高, 第二段灵敏度低。

(4铝板频率及电压始终高于钢板且频率灵敏度比钢板高。这是因为铝的导电性好, 可以产生更大的感应电流和感应磁场, 使电感较小且变化较快,

由式

f =

可知此时灵敏度高,也正是因为铝板的导电性好,感应电流和磁场

大,所以输出的电压也大。

3. 误差分析

(1由于读数使用数字设备,输出数据老是跳动,可能会导致读数结果与实际不符。

(2板与传感器并不是完全平行放置,距离测量存在误差。

(3由于钢板的零点为调整后得到,所以它的输出和铝板比较得到的结论会存在一定的误差。

(5由于感应电流产生热量使板温度升高,可能导致导磁率发生变化而产生误差。

(6钢板输出电压的饱和区到达较晚,测试范围较大。 4. 实验中问题的讨论

实验中发现测量钢板距离时需要达到一定距离以上之后系统才会有输出。分析原因可能是钢板在距离传感器太近时线圈等效电感太大, 以及涡电流热产生的温升太高使输出太小不能被系统识别而显示为零输出。五、思考问题

1. 前置器是如何产生高频率振荡电压的?振荡频率主要由哪些元件决定?传感器到前置器之间的电缆为 2米,若增加 1米,有何影响?

(1前置器内是电容三点式振荡电路和射极输出器,由此电路产生高频率振荡电压。前置器内部前级的电容三点式振荡电路输出高频振荡电流,通过 LC 振荡电路产生交变磁场, 后级的射极输出器将传感器产生的振荡电流和输入振荡电流叠加并跟随, 并降低前后级连接带来的负载效应, 另外, 通过调整输入输出电阻的大小关系,可以降低外界对输出信号的干扰作用。

(2振荡频率主要由前置器内部的电容、电阻和电感元件决定。

(3若传感器到前置器之间的电缆长度增加 1米,则由电缆引入的杂散电容增大, 对振荡电流将产生干扰, 由式 f =1/2pLC , 最终的输出频率将减小, 而由于射极输出器的跟随作用,幅值不会产生变化。

2. 前置器到电源之间及到调频输出之间用一根单芯电缆,其上传输着几种信号?

他们是怎样分离的?线路中 1212L L C C 、、、起什么作用?采用单芯电缆有什么好处?

(1前置器与电源和调频输出之间的一根单芯电缆上传输着两种信号,一种是由传感器输出的高频交流振荡信号,一种是直流电源的直流信号分量。

(2 1212L L C C 、、、构成滤波电路, 产生的振荡信号与原传感器中的振荡信号相互抵消,从而将(1中两种信号分离。

(4采用单芯电缆的好处是可以减小杂散电容,减小干扰。