电涡流传感器试验

§6.2传感器专实验传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，在现代科学技术领域中的地位越来越重要。各类传感器的研制、推广和使用飞速发展，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术将是二十一世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。实际应用中，人们通常把将非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。一、传感器的基本概念传感器实质上是一种功能块，其作用就是把非电量信号的被测量（如力、热、声、磁和光等物理量）转换成与之成比例的电量信号（如电压和电流），然后再经过适当的电路处理后，送至指示器以发出指示或送至记录仪进行记录。它是系统信号获取、转换和传输的器件，为系统处理和决策提供所需要的信息。1．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。敏感元件：其作用是直接“感知”被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：作用是将敏感元件的输出转换成电路参量。基本转换电路：作用是将上述的电路参数转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂。最简单的由一个敏感元件组成，它直接将“感知”的被测量转换成电量输出。2．传感器的分类传感器的分类方法很多。按传感器构成原理分为：结构型与物性型两大类。结构型：主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号，目前此种传感器应用较广泛。物性型：利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。另外还可按传感器工作机理分为：物理型、化学型、生物型等。按其工作原理分为：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、化学式传感器、半导体传感器等。按被测物理量划分为：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器等。按输出形式分为：数字传感器、模拟传感器。3．传感器的作用传感器是人类五官的延长，又形象地称之为“电五官”。在科学研究中，人类需要获取大量人类感官无法直接获得的信息。作为模拟人体感官的传感器，是感知、获取、监测和转换信息的窗口，处于研究对象与传输处理系统的接口位置，为系统进行处理和决策提供着所必需的信息。目前，大多数的传感器都是依照各种物理原理和效应来的，获取的信号也大都转变成电学量。这种由非电量至电量的转换是利用了不同物质的某些电学性质与被测量之间的特定关系来实现的。例如热电效应、磁电效应、光电效应和压电效应等。利用这些独特的物理效应，可以设计和制造出适用于各种场合、有着不同用途的传感器。二、传感器的基本特性传感器的基本特性分为静态特性和动态特性两种。1．传感器的静态特性所谓静态特性是指输入不随时间变化情况下的输出特性。即在被测量数值稳定时，输出与输入量之间所形成的对应关系。人们总是希望输出量能不失真的反映输入量，理想情况下应是线性关系，但在实际应用中，由于诸多因素的影响（如迟滞、蠕变、摩擦等），输入量与输出量之间并不是线性关系。衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞性和重复性。（1）线性度（非线性误差）线性度是指输入（理想）与输出关系对于线性比例关系的偏差程度。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下式表示：yaaxax2ax3axn0123n（6.2-1）式中是输出量、是输入量、是零点输出、是理论灵敏度、……是非线性项yxa0a1a2,a3,an系数。静态特性曲线可通过实际测量获得。但为方便标定和数据处理，希望得到线性关系，可采用各种办法进行线性化处理。一般采用直线拟合的方法来线性化。采用直线拟合线性化时，线性度就定义为：输出输入的校正曲线与某拟合直线之间的最大偏差。线性度也称为非线性误差。通常用相对值来表示，即：AE100%ry0式中为最大偏差，为满量程输出。如图所示，由此可见：非线性偏差的大小是以Ay06.2-1一定的拟合直线为基准直线而得。拟合直线不同、非线性误差也不同。目前常用的直线拟合法有“端点拟合法”、“端点连线平移拟合法”、“切线拟合法”及“最小二乘法拟合”等。选择拟合直线的原则，应保证获得尽量小的非线性误图6.2-1传感器线性度差，并考虑使用与计算的方便。（）灵敏度2灵敏度定义为：在稳定线性区输出变化量与输入变化量之比。SnSn=dy/dx可见：传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对于线性非常好的传感器，为一常数，即Sn式中项，与输入量大小无关。6.2-1a1（3）迟滞性迟滞性是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。•滞后现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动、元件腐蚀或碎裂及积尘等，都会引起传感器的滞后现象。（4）重复性重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动所得特性曲线的一致程度。各条特性曲线越靠近，重复性就越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属于随机误差。2．传感器的动态特性动态特性是指输入信号随时间变化时传感器的输出特性。此时，要求传感器能够随时间精确地跟踪输入，其输出能够按照输入的变化规律发生相应的变化，这个过程又称为响应。响应是描述动态特性的重要参数。三、传感器的标定传感器的标定，就是通过实验确立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。因此，传感器标定有两个含义。其一是确定传感器的性能指标；其二是明确这些性能指标所适用的工作环境。本实验只讨论第一个问题。传感器的标定有静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、滞后和重复性。动态标定的目的是确定传感器动态指标，主要是时间常数、固有频率和阻尼比。有时，根据需要也对非测量方向（因素）的灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。标定的基本方法是将已知的被测量（亦即量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器输出量，对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。传感器专题实验一电涡流式传感器电涡流式传感器是建立在涡流效应原理上的一种传感器。利用它可以把距离的变化转换为电量的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；也可以利用它把电阻率的变化转换成电量的变化，做成表面温度、电介质的浓度等传感器；还可以利用它把磁导率的变化转换为电量的变化，做成应力、硬度等传感器。电涡流式传感器能够实现非接触测量，而且还具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单及安装方便等优点。因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。【实验目的】1．了解电涡流式传感器的工作原理。2．掌握静态标定的方法，了解被测材料对电涡流式传感器特性的影响。3．掌握电涡流传感器测量振幅的方法4．了解由电涡流式传感器组成的电子称的标定和测量方法。I1【实验原理】1．电涡流式传感器工作原理电涡流传感器有高频反射式和低频透射式两种，高频反射式应用较广。本实验使用高频反射式。如图6.2-2所示，在一金属导体上方放置一个线II圈，当线圈中通入交变电流时，线圈的周围空间12I1就产生了交变磁场，则金属导体中将产生感生电图6.2-2电涡流传感器工作原理H1MR流，由于呈涡旋状，故称为电涡流。而此电涡1I2I2流将产生交变磁场，它的方向与磁场方向相H2H1ULLR反，由于磁场的反作用使导电线圈的电感量、阻122H2抗及品质因数等发生变化，这些参数变化量的大小与金属导体的电阻率、磁导率、几何形状、激励电流以及线圈与金属导体间的距离等有关。限制其中图6.2-3等效电路其它参数不变，只让其中某一个参数变化，就构成了测量该参数的传感器。涡流效应可等效为如图所示的等效电路。图中，和为传感器线圈的电阻和电6.2-3R1L1感，和为金属导体等效的电阻和电感，各自的电流为、，为激励电压，为互R2L2I1I2UM感系数。根据基尔霍夫定律可以写出方程RIjLIjMIU11112RIjLIjMI022221以上两式联立解得传感线圈中的电流I为1UI12M2R2M2LR2jL21R22L21R22L22222上式的分母即为线圈受涡流产生的磁场H影响后的阻抗2UZRjL1I12M2R其中，线圈等效电阻RR21R22L2222M2L线圈等效电抗LL21R22L222L由此可算出线圈的品质因数QR而无涡流效应时线圈的品质因数为Q=L/R。11可见，R、L、Q均为M的函数。而互感系数M决定于线圈靠近金属导体的程度，随着线圈与金属导体离得越近，互感M值越大，涡流效应引起上述参数的变化也越大，表现为涡流损耗的功率增大，线圈回路的Q值降低。电涡流传感器的基本原理就是将传感器与被测体间的距离转换为传感器的品质因数Q值、等效阻抗Z及等效电感L三个参量，并用相应的测量电路来测量。2．电涡流传感器的测量电路本实验中电涡流传感器的测量电路采用定频调幅式测量电路。测量电路中提供一个稳定性很高的振荡信号，它是由石英晶体振荡器产生，其频率一般选在1MHz~2MHz。通常采用一个电容C与电涡流线圈L并联，构成并联谐振回路，其谐振频率为=102LC传感器线圈作为振荡回路的一个电感元件与电容构成基本电路单元。振荡器的输出信号经电阻R加到传感器上。其作用是将位移变化引起的振荡回路阻抗的变化转化为高频载波信号的幅度变化。当没有被测导体时，使谐振回路产生谐振，回路谐振频率为，当与被0测导体接近时，回路将失谐，使回路Q值降低，振荡幅值下降，也发生变化。阻抗Z也发生变化。传感器LC回路的阻抗变化既反映了电感的变化，又反映了Q值变化。发生谐振时回路的等效阻抗最大。此时阻抗最高，对应的输出电压最大。当被测导体接近传感器线圈时，U0电感线圈L感应的高频电磁场作用于被测导体，由表面的涡流反射作用，使电感量L变小，导致回路失谐，回路的等效阻抗相应减小，对应的输出电压U值减少。因此通过对输出电压的测量，就可以确定距离x的大小。实际上，参数R、L、Q均是M的非线性函数，即与距离x呈非线性关系。但在某一小范围内可以将这些函数关系近似地用线性函数表示，即电涡流位移传感器只能在一定范围内呈线性关系。可以用电涡流传感器在这段线性范围内测量位移、振幅等物理量。【实验仪器】系列传感器系统实验仪、双踪示波器等。CSY10【实验内容】1．电涡流传感器的静态标定（1）选择实验所需部件：电涡流传感器、涡流变换器、螺旋测微仪、电压表。图6.2-4静态标定接线图（2）按图6.2-4连接电路，安装好电涡流线圈与金属片，注意两者必须保持平行，安装好测微仪，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／频率表20V档。（3）开启主机电源与副电源，用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压应为零（可适当改变支架中的线圈角度，若不为零记下零点偏移量）。然后旋动测微仪使涡流片离开线圈，从电压表有读数时每隔0.5mm记录一个电压值，共记约14组数据。将U、x数值填入自己设计的内，作出U~x曲线，指出线性范围，求出灵敏度。（4）将示波器接涡流变换器输入端口，观察电涡流传感器的激励信号频率，随着线圈与电涡流片距离的变化，信号幅度也发生变化，当涡流片紧贴线圈时电路停振，输出为零。2．比较不同被测材料对电涡流传感器特性的影响电涡流传感器中线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一部分则是被测导体，因此线圈阻抗的变化还与被测导体的材料、形状、大小有关。一般情况下，被测体导电率越高，灵敏度越高，在相同的量程下，其线性范围越宽。此外被测体的形状和大小对测量也有影响。当被测体的面积比传感器线圈面积大很多时，传感器灵敏度基本不发生变化；当被测体面积为传感器一半时，其灵敏度减少一半；更小时，灵敏度则显著减小。因此需对不同的被测材料分别进行标定。（1）按内容1的要求分别对铁、铜、铝涡流片进行测试与标定，记录数据，在同一坐标上作出U~x曲线。（2）分别找出不同材料被测体的线性工作范围、灵敏度、最佳工作点，进行比较并做出定性的结论。3．振幅测量（1）选择所需部件：电涡流传感器、涡流变换器、直流稳压电源、电桥、差动放大器、激振器I、低频振荡器等，按图6.2-5接线。（2）差动放大器调零。图6.2-5振幅测量接线图（3）换回被测铁片，将测微头旋至离开振动台，将电涡流传感器的线圈安装在与被测铁片的最佳工作距离上（即线性区域的中点位置），利用差放和电桥电位器所组成的电平移动电路将输出电压调节为零，此时振动台WD处于平衡位置。（4）移动振动台至上、下偏离位置，观察输出电压的变化，若平衡位置恰为传感器的最佳工作点上，则电压的双向指示值应对称，若不对称需重新安装传感器线圈与被测铁片的位置，寻找最佳工作点。（5）选好最佳工作点后，用双踪示波器的一个通道在A点观察涡流传感器的高频振荡波形，并测出其振荡频率。（6）将低频振荡器的低频输出信号接入激振器I，缓慢加大增益使振动台产生适当振幅的振动，调节振动频率范围～，观察振动台振动状态，记下共振频率。130Hz0（7）再将示波器的另一个通道接入在B点观察涡流变换器的输出电压波形，适当调节低频振荡器的增益以保证输出电压波形不失真，用示波器测出值大小。Up-p（8）根据实验内容1的结果（即当被测材料为铁片时，对电涡流传感器进行静态标定所得的灵敏度）估算出振动台振幅大小SnUApp2Sn4．电涡流传感器组成的电子秤（1）按图6.2-5接线，调节好差动放大器的零点，将差放的输出接电压表20V档。（）调整电涡流传感器的位置，使其处于线性范围的起始处，调节电桥电位器使2WD电压表指示为零（调节好以后差放增益和均不可再动）。WD（3）在振动台上逐步累加砝码，记下相应的砝码重量W和输出电压U值。根据实验数据作出U～W曲线，找出线性区，计算出灵敏度SU/Wn（）取下砝码，在振动台上放一重量未知的物体，记下输出电压值则该物体的重量4Ux为UWxxSn【注意事项】1．振动台共振时，应及时减小振荡器增益，以免振动台振幅过大发生碰撞。2．更换被测金属片时，应首先移开传感器探头（线圈）。3．显示仪表量程宜从高档转换到低档，激励信号幅度则应从小到大。4．涡流变换器输入端接入示波器时由于一些示波器的输入阻抗不高（包括探头阻抗）以至影响线圈的阻抗，使输出U变小，并造成初始位置附近的一段死区，将示波器探头离开输入端即可解决这个问题。5．若换上铜、铝和其他金属涡流片，线圈紧贴涡流片时的输出电压并不为零，这是因为电涡流线圈的尺寸是为配合铁涡流片而设计的，换了不同材料的涡流片，只有改变线圈尺寸输出才能为零。【预习思考题】1．电涡流传感器与其它传感器比较有什么优缺点？2．本试验采用的变换电路是什么电路。【讨论题】1．若此传感器仅用来测量振动频率，工作点问题是否仍十分重要？为什么？2．如何能提高电涡流传感器的线性范围？