1、传感器课程设计1燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：电涡流位移传感器设计学院（系）： 电气工程系年级专业： 14 级工业仪表 1 班学 号： 131203021060学生姓名： 韩升升指导教师： 程淑红 教师职称： 副教授 传感器课程设计2燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：电子实验中心 学 号 学生姓名 专业（班级）设计题目 电涡流位移传感器设计 设计技术参数工作计划1 答辩并写好任务书2 画出电路图和探头部分结构图参考资料【1】贾伯年 传感器技术 东南大学出版社 2007【2】林志琦 信号发生电路原理与实用设计 人民邮电出版社 2010【3】Arthur
2、 B.Williams 著 宁彦卿 译 电子滤波器设计 科学技术出版社 2008指导教师签字 基层教学单位主任签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 传感器课程设计3目录摘要4电涡流位移传感器设计5一、总体设计方案5二、电涡流传感器的基本原理62.1 电涡流传感器工作原理62.2 电涡流传感器等效电路分析62.3 电涡流传感器测量电路原理8三、实验数据133.1 电涡流透射式133.2 电涡流反射式14个人小结17参考文献17传感器课程设计4摘要随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平
3、衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。关键词：电涡流式传感器 传感器技术 电量非电量传感器课程设计5电涡流位移传感器设计一、总体设计方案电 涡 流 传 感 器 能 静 态 和 动 态 地 非 接 触 、 高 线 性 度 、 高 分 辨 力 地 测量 被 测 金 属 导 体 距 探 头 表 面 的 距 离 。
4、 它 是 一 种 非 接 触 的 线 性 化 计 量 工具 。 电 涡 流 传 感 器 能 准 确 测 量 被 测 体 （ 必 须 是 金 属 导 体 ） 与 探 头 端 面之 间 静 态 和 动 态 的 相 对 位 移 变 化 。 电 涡 流 传 感 器 以 其 长 期 工 作 可 靠 性好 、 测 量 范 围 宽 、 灵 敏 度 高 、 分 辨 率 高 、 响 应 速 度 快 、 抗 干 扰 力 强 、不 受 油 污 等 介 质 的 影 响 、 结 构 简 单 等 优 点 。 根 据 下 面 的 组 成 框 图 ，构 成 传 感 器 。根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：（1）敏感元
5、件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。（2）传感元件: 前置器是一个用环氧树脂灌封并带有导线的装置，测量电路完全装在前置器中。（3）测量电路：是由涡流传感器构成，将测量信息转换为直流电量输出。本电路采用西勒振荡电路产生振荡频率，在经过滤波产生直流电量。传感器课程设计6二、电涡流传感器的基本原理2.1 电涡流传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i 1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H 1，它使置于此磁场中的被
6、测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i 2又产生新的交变磁场H 2；H 2与H 1方向相反，并力图削弱H 1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率，磁导率，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：2.2 电涡流传感器等效电路分析为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。传感器课程设计7图中R
7、1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：经求解方程组，可得I1和I2表达式：由此可得传感器线圈的等效阻抗为:从而得到探头线圈等效电阻和电感。通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。传感
8、器课程设计8因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：其中，x为检测距离；为被测体磁导率；为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量L或Z等来测量x ,f的变化的电路。2.3 电涡流传感器测量电路原理电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。传感器课程设计9电桥法是将传感器线圈的等效阻抗变化转换为电压或电流的变化。图2-4为电桥法的原
9、理图。图中A，B两线圈作为传感器线圈。传感器线圈与两电容的并联阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。谐振法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化，传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为，谐振时回路的等效阻抗最大，Z =L/RC，其中R为谐振回路等效电阻。当线圈电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化为变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接
10、测出传感器的被测值。调频式电路是通过测量谐振频率的变化来进行测量，其结构简单，便于遥测和数字显示；而调幅式电路是通过测量等效阻抗的变化来进行测量，由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高。下面以调幅式测量电路为例，说明谐振法的测量原理，如图2-5所示：传感器课程设计10从图中可以看出LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为 ，其中i0为激励电流，Z为等效阻抗。测量中，当探头线圈远离被测金属导体时，LC回路处于谐振状态，谐振回路上的输出电压最大；当探头线圈接近被测金属导体时，线圈的等效电感发生变化，导致回路失谐而等效阻抗发生变化，使输出电压下
11、降。输出的电压再经过放大，检波，滤波后由指示仪器（电压表）读出，或输入示波器显示电压波形。这样就实现了将L-x关系转换成V-x关系，通过对输出电压的测量，可确定电涡流传感器线圈与被测金属导体之间的距离x。电涡流传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的本设计采用涡流转换器，其工作原理是谐振式调幅电路。涡流转换器等效电路图 图1 从涡流转换的等效电流图可分析出线圈震荡电流有涡流转换器提供。是由其中的西勒振荡电路提供震荡电流。下图为西勒振荡电路。 传感器课程设计11西勒震荡电路图 图2西勒振荡器是一种改进型的电容反馈振荡器， 它是克拉波电路的改进电路。这种电路频率稳定性高。因为可
12、通过C4改变振荡频率，且接入系数不受C4影响，所以在整个波段中振荡振幅比较平稳。真两点使西勒电路的频率能在比较宽的范围内调节。西勒振荡电路的频率为。LCf2/1式中， 。其中， ；41321C 01CiC2当 及 时，振荡频率为1323,)(1430CLf与受输入输出电容（包括闲散电容）影响的 与 无关，因此提高了12振荡频率的稳定性。西勒振荡电路的振荡频率可以通过改变 来调整。因 比克拉波4C3传感器课程设计12电路取值大！故频率覆盖系数大，易调整，频率稳定度高，实际应用较多。西勒振荡等效电路图 图 3上图为在实际应用中的西勒电路改进型，在实际应用中可用可调电感，而可调电容换成固定电容。在大
13、多数电视机中大多采用西勒振荡电路。此时的振荡频率为。LCf2/1由涡流转换器电路图可知，西勒电路产生的电流从振荡器输出端输出后，经过上下两部分滤波电路，滤去交流。剩下直流电流从转换器的输出端输出。上部滤波电路为传感器课程设计13LC滤波电路1 图7直流电由输入端进入后经由LC低通滤波器后由输出端输出直流分量。下部LC滤波器在二极管之后如图所示，LC滤波电路2 图8由于二极管有单向导通性，因此有部分正弦波经由二极管，而形成半波正弦波。在通过下部LC低通滤波器滤去交流分量。从而输出直流分传感器课程设计14量。三、实验数据电涡流传感器有传感器有两种结构类型，分别为透射式和反射式。即透射试验和反射实验
14、3.1 电涡流透射式穿L2，这这种类型与反射式主要不同在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用于测量金属材料的厚度。下图为其工作示意图，透射式电涡流传感器工作原理图 图9传感器由发射线圈L1和接受线圈L2组成，它们分别位于被测金属板的两侧。当低频激励电压加到线圈L1两端时，将在L2两端产生感应电压。若两线圈之间无金属导体，L1的磁场就能直接贯时电压达到最大。当有传感器课程设计15金属板后，其产生的涡流削弱了L1的磁场，造成电压下降。金属板厚度越大，涡流损耗的就越大，电压也就越小。因此可用电压大小反应金属般的厚度！而且对于不同材质的特性不通所得的实验现象也不相同。当传感器激励频率升高后其透射后的电压
15、增大了，但从低频到高频过程中再有无导体的情况下，电压的下降幅度也不同！在高频境况下电压下降幅度明显大于低频是电压下降到幅度！说明导体对涡流传感器在高频时吸收率更高，更有利于低频是的磁场通过。3.2 电涡流反射式反射式中，变间隙是最常用的的一种结构式。他的结构简单，由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制（高温时也采用钨线），用粘合剂在框架端部或绕制在框架槽内，其结构示意图如图所示，电涡流传感器结构图 图 14传感器课程设计16线圈框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维等。由于激励频率较高，对所用的电缆与插头也要充分重视。对于电
16、涡流传感器线圈外径大，线性范围也就大，但灵敏度低；反之线圈外径小，灵敏度高，但线性范围小。除此之外也有加入不加入铁心之分加入铁心可以感受较弱的磁场。对被测导体的大小和形状也与灵敏度密切相关。而且除反射式外还有变面积式和螺管式两种。下面对变间隙式的电涡流传感器进行试验测量，并记录数据，在进行数据处理，位移mm0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4电压v0 0 0.8 1.64 2.38 3.07 3.7 4.27 4.78位移mm4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5电压v5.22 5.61 5.94 6.21 6.43 6.61 6.75 6.85 6.94位移mm
17、9 10 11 12 13 14 15 16电压v7.01 7.12 7.20 7.27 7.31 7.36 7.39 7.41传感器课程设计17通过matlab拟合数据找出其最适合测量的线性区间。下图为使用matlab拟合直线数据图变间隙反射式试验数据拟合图 图 15传感器课程设计18个人小结在这几天的课程设计中我学到了许多，既有有因无从下手和失败而迷茫和沮丧，也有获得成功后的沾沾自喜。而且发现自己的知识储备实在太少。在课程设计中每天不断的查资料分析电路，要找出试验电路和经典电路之间的共性，还要通过变换把复杂的电路变换成熟知的基本电路，尤其是在西勒振荡器的查找时，面对一个陌生的电路根本无从下
18、手。还是老师指导我去图书馆查找信号发生电路的相关书籍。才找到了类似的电路，在经过自己的认真分析，最终确定了它是西勒振荡电路的衍生版本。课程设计真的不容易。对我的提高确实很大。参考文献：张玉龙等.【传感器电路设计手册】中国计量出版社.1989 年李科杰等.【新编传感器技术手册】.国防工业出版社.2002 年吴桂秀.【传感器应用制作入门】.浙江科学技术出版社.2004年杨宝清， 【孙宝元. 传感器及其应用手册】. 2004 年单成祥. 【传感器的理论与设计基础及其应用】. 国防工业出版社. 1999 年殷淑英.【传感器应用技术.冶金工业出版社】.2008 年传感器课程设计19燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：1、认真、很好的完成课设各阶段的任务。 【 】2、能够较好的完成课设各阶段的任务。 【 】3、能够按时完成课设各阶段的任务。 【 】4、不按时完成课设各阶段的任务。 【 】指导教师： 程淑红 2017 年 1 月 6 日答辩小组评语：1、全面、得体的回答老师的提问。 【 】2、能够简要回答老师的提问。 【 】3、能够回答部分老师的提问。 【 】4、不能回答老师的提问。 【 】组长： 程淑红 2017 年 1 月 6 日课程设计总成绩：传感器课程设计20答辩小组成员签字：程淑红 童凯 王志斌 赵彦涛 朱丹丹2017 年 1 月 6 日
