电涡流传感器位移特性实验

一、电涡流传感器位移实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、电涡流传感器位移基本原理：

电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图17.1.1所示。根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样可得到如图17.1.2的等效电路。图中R1、L1为传感器线

         图17.1.1 电涡流传感器原理图                            图17.1.2电涡流传感器等效电路图

圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。

根据等效电路可列出电路方程组：

通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为：

线圈的等效电感为：

线圈的等效Q值为：

Q＝Q0{[1-(Ｌ2ω2Ｍ2)/(Ｌ1Ｚ22)]／［1+(R2ω2Ｍ2)/( R1Ｚ22)］}

式中：Q0 — 无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；

Ｚ22— 金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。

由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、Ｑ的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

   为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如图17—2所示：

图17—2 电涡流位移特性实验原理框图

根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。

本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理与面板如图17—3所示。电路组成：⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。⑶Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。

电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。当无被测导体时，振荡器回路谐振于f0，传感器端部线圈Q0为定值且很高，对应的检波输出电压Vo 很大。当被测导体接近传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值Vo变小。Vo变化反映了位移ｘ的变化。电涡流传感器在位移、振动、转速、探伤、厚度测量上得到应用。

图17—3电涡流变换器原理图与面板

三、需用器件与单元：

机头静态位移安装架、电涡流传感器、被测体(铁圆片) 、测微头、主板F／V表、涡流变换器、示波器（自备）。

四、实验步骤：

1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。调节测微头初始位置的刻度值为5mm处，按图17—4安装测微头、被测体、电涡流传感器（注意安装顺序：先将测微头的安装套插入安装架的安装孔内，再将被测体套在测微头的测杆上；其次在安装架上固定好电涡流传感器；而后平移测微头安装套使被测体与传感器端面相帖时拧紧测微头安装孔的紧固螺钉）并按图接线。

图17—4   电涡流传感器安装、按线示意图

2、将电压表（F／V表）量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后将涡流变换器的拨动开关拨到“开”位置，开启主电源开关，记下电压表读数，然后逆时针调节测微头微分筒每隔0.1mm读一个数，直到输出Vo变化很小为止并将数据列入表17。（在输入端可接示波器观测振荡波形）

表17 电涡流传感器位移X与输出电压数据

3、根据表17数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域试计算灵敏度和线性度（可用小二乘法或其它拟合直线）。实验完毕，关闭所有电源。