1、1电涡流传感器实验实验目的1 掌握电涡流传感器的基本结构和工作原理。2 通过实验了解不同材料对电涡流传感器特性的影响。3 通过电涡流方法测量振幅、重量、电机转速，掌握电涡流传感器的实际应用技术。4 掌握电涡流传感器的静态标定方法，通过实验进行电涡流传感器的静态标定。实验原理电涡流传感器由平面线圈和金属片组成。当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上受感应而产生涡旋状电流，这种现象称为涡流效应。产生的感应电流，又称为电涡流。电涡流传感器正是基于这种涡流效应而工作的。如图 1 所示，一个通有交变电流的线圈，置于一块导电材料附近，由于交变电流的存在，在线圈周围就产生一个交变磁1I场 ，导电材料
2、内便产生电涡流 ，电涡流 也将产生一个新磁场 ， 与 方向H2I2I2H12相反，因而抵消部分原磁场 ，从而导致线圈的等效阻抗发生变化。可见，线圈与导体1H之间存在着磁的联系，若把导电材料看成一个具有内阻的线圈，则图 1 可用图 2 所示的等效电路表示。 、 分别为线圈和导电材料的等效电阻， 、 分别为线圈和导电材料1R2 1L2的等效电感。M 为互感参数，表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。图 1 电涡流效应图 2 电涡流效应的等效电路由图 2 可列出下列方程（1） 0122211IMjILjIRU解式(1)，可得线圈的等效阻抗 Z（2）LjRjMIUZ 2212212前两项为等效电阻，第三项
3、为等效电抗，第三项中括号内为等效电感。线圈的品质因数为Q（3）2212LRMQ由上不难看出，金属导体的电阻率 、磁导率 、线圈与金属导体之间的距离 x 以及线圈激励电流的角频率 等参数，都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。或者说线圈等效阻抗是这些参数的函数，即（4）),(xfZ若能保持上述 四个参数中的任意三个参数恒定，则等效阻抗将与第四个参、x数之间建立一一对应的关系，构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系。利用位移 x 作为变换量，可以非接触的测量位移、厚度、振动、转速等，也可做成接近开关等。图 3 为电涡流位移传感器的几种具体应用。图(a) 为轴的轴向位移的测量，图(b)为先导
4、阀或换向阀位移测量，图(c)为金属热膨胀系数测量。测量位移范围可从 01mm 到030mm分辨率为满量程的 0.1%。图 3 电涡流位移传感器的几种具体应用图 4 为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。在被测对象上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器。当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出也周期性地发生变化。此输出信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开 Z 个槽，频率计读数为 f （单位为 Hz ) ，则转轴的转速 n（单位为 r/min ）的数值为 n=60f/Z。3图 4 利用电涡流传感器测量转速实验仪器CSY
5、10B 型传感器系统实验仪（电涡流传感器、电涡流变换器、测微头、电压 /频率表、差动放大器、电桥、测速电机及转盘） 、三种金属涡流片（铁、铜、铝） 、示波器、砝码等实验内容与步骤一、电涡流传感器的传感特性和静态标定图 5 电涡流传感器标定1、 按照图 5 安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意二者必须保持平行（ 必 要 时 可 稍 许 调整 探 头 角 度 ） 。安装好测微头，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表 20V 档。2、 开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈和涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。将示波器接涡流变换器输入端，观察电涡流传感器的高频波形。信号频率
6、约1MHz。3、用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器的输出电压为零，涡流变换器中的振荡电路停振。4、 旋动测微头是平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移 0.25mm 记录一个读数，并用示波器观察高频振荡波形。将被测位移 X、输出电压 V 的读数填入下表，作出 VX 曲线，指出线性范围，找出其最佳工作点并求出灵敏度。表格 1 被测位移 X 与输出电压 V 关系被测位移/mm输出电压/V注意事项：当 涡 流 变 换 器 接 入 电 涡 流 线 圈 处 于 工 作 状 态 时 ， 接 入 示 波 器 会 影 响 线 圈 的 阻 抗 ， 使 变换 器 的 输
7、出 电 压 减 小 （ 如 果 示 波 器 探 头 阻 抗 太 小 ， 甚 至 会 使 变 换 器 电 路 停 振 而 无 输 出 ） ，或 是 使 传 感 器 在 初 始 状 态 有 一 死 区 。二、被测材料对电涡流传感器特性的影响1、 按内容一的方法重新安装好传感器，开启电源。2、 分别对铁、铜、铝被测体进行测量，记录被测位移 X、输出电压 V 的读数。3、 依据所记录的数据，在同一个坐标下作出涡流传感器对不同被测材料的 VX 曲线。4、 分别找出传感器对各种被测材料的线性范围、灵敏度、最佳工作点，并进行比较。可得出结论：对于不同被测材料，涡流传感器的灵敏度、线性范围都不相同，必须分别进
8、行标定。4三、电涡流传感器的振幅测量1、 按图 6 接线（具体接线参见后面的附图 2） 。WD差 放变 换 器 示 波 器- 1 0 V图 6 电涡流传感器称重根据实验内容二的结果，将平面线圈安装在最佳工作点，直流稳压电源置10V 档，差动放大器在这里仅作为一个电平移动电路，增益置最小处（1 倍） 。调节电桥电路的WD，使系统输出为零。2、 接通“激振器 I”， 调节低频振荡器频率，使其在 1030Hz 范围内变化，用示波器观察涡流变换器输出波形，记下 VP-P 值，同时利用实验内容一的结果求出距离变化范围 XP-P。3、可同时用双踪示波器的另一通道观察涡流变换器输入端的调幅波。4、变 化 低
9、 频 振 荡 器 频 率 和 幅 值 ， 提 高 振 动 圆 盘 振 幅 ， 用 示 波 器 可 以 看 到 变 换 器 输 出 波 形有 失 真 现 象 ， 这 说 明 电 涡 流 式 传 感 器 的 振 幅 测 量 范 围 是 很 小 的 。频率(Hz)VP-P(v)四、用电涡流传感器称重1、 按图 6 接线（具体接线参见后面的附图 2） 。2、 差动放大器增益调为 1，输出接电压表 20V 档。利用实验内容一的结果，将平面线圈安装在线性工作范围的起始点。调整电桥，使系统输出为零。3、 在测量平台中间逐步增加砝码，记录被测重量 W 和输出电压值 V。被测重量/g输出电压/V4、 依据所测量
10、的对应数据，作出传感器特性（VW）曲线，计算灵敏度。5、 取下砝码，放上未知重量之物品，根据标定曲线计算被测物重量，并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。五、电涡流传感器测量电机转速1、 将电涡流传感器线圈支架转一角度，安装于电机转盘上方，线圈与转盘面平行，在不摩擦的前提下距离越近越好。2、 如图 7 所示，电涡流线圈与涡流变换器相接，涡流变换器输出接示波器，开启电机开关，调节转速，同时调整平面线圈在转盘上方的位置，通过示波器观察，使变换器输出的脉动波对称。3、 仔细观察示波器两相邻波形的峰值是否一致，如有差异，说明平面线圈与转盘或者不平行、或者电机本身存在振动。利用已经获得的铁材料涡
11、流片特性曲线可大致判断转盘面与线圈的不平行度。54、 将电压/频率表 2kHz 档接入涡流变换器输出端，读取脉动波形变化的周期数值，并与示波器读取的频率作比较。转盘的转速=脉动波形数2。图 7 电涡流传感器测转速注意事项1、 认真检查电路接线，开关倒向，仪表量程等，各 信 号 源 之 间 严 禁 用 连 接 线 短 路 ， 确认无误后再接通电源。2、 在实验过程中，如发现异常火花、异声、异味、冒烟或过热等现象，应立刻断开电源开关，保持现场，请指导教师一起检查原因。3、 实验结束应先断开电源开关，然后才能拆线，切忌带电插拔导线。4、 离开实验室前应整理好实验仪器、连接导线等实验器材。附 图附 图 1 CSY10B 型 传 感 器 实 验 仪 工 作 台 布 局 图6附图 2 电 涡 流 式 传 感 器 的 振 幅 测 量 （ 或 称 重 ） 实 验 接 线 图
