一、電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>

了解電渦流傳感器測(cè)量位移的工作原理和特性。

二、電渦流傳感器位移基本原理：

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測(cè)物體（導(dǎo)電體—金屬渦流片）組成，如圖17.1.1所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈（一個(gè)扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時(shí)，線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，原線圈反饋一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個(gè)短路環(huán)，這樣可得到如圖17.1.2的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線

         圖17.1.1 電渦流傳感器原理圖                            圖17.1.2電渦流傳感器等效電路圖

圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。

根據(jù)等效電路可列出電路方程組：

通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復(fù)阻抗為：

線圈的等效電感為：

線圈的等效Q值為：

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

式中：Q0 — 無(wú)渦流影響下線圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；

Ｚ22— 金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。

由式Z、L和式Ｑ可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Ｑ值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導(dǎo)體間距離x(H)的非線性函數(shù)。因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非線性函數(shù)。雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為"S"型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實(shí)Z、L、Ｑ的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)。當(dāng)電渦流線圈、金屬渦流片以及激勵(lì)源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關(guān)。于此，通過傳感器的調(diào)理電路（前置器）處理，將線圈阻抗Z、L、Ｑ的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。

   為實(shí)現(xiàn)電渦流位移測(cè)量，必須有一個(gè)專用的測(cè)量電路。這一測(cè)量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個(gè)檢波電路等。電渦流傳感器位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)框圖如圖17—2所示：

圖17—2 電渦流位移特性實(shí)驗(yàn)原理框圖

根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測(cè)體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個(gè)參數(shù)，用相應(yīng)的測(cè)量電路（前置器）來測(cè)量。

本實(shí)驗(yàn)的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測(cè)量電路，電路原理與面板如圖17—3所示。電路組成：⑴Q1、C1、C2、C3組成電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號(hào)。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個(gè)電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號(hào)的幅值變化。⑵D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號(hào)中傳感器檢測(cè)到的低頻信號(hào)取出來。⑶Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。

電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測(cè)物體的振動(dòng)相對(duì)位移量和靜位移的，它與被測(cè)物之間沒有直接的機(jī)械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。當(dāng)無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且很高，對(duì)應(yīng)的檢波輸出電壓Vo 很大。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，線圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移ｘ的變化。電渦流傳感器在位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測(cè)量上得到應(yīng)用。

圖17—3電渦流變換器原理圖與面板

三、需用器件與單元：

機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器、被測(cè)體(鐵圓片) 、測(cè)微頭、主板F／V表、渦流變換器、示波器（自備）。

四、實(shí)驗(yàn)步驟：

1、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)平繞線圈。調(diào)節(jié)測(cè)微頭初始位置的刻度值為5mm處，按圖17—4安裝測(cè)微頭、被測(cè)體、電渦流傳感器（注意安裝順序：先將測(cè)微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內(nèi)，再將被測(cè)體套在測(cè)微頭的測(cè)桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；而后平移測(cè)微頭安裝套使被測(cè)體與傳感器端面相帖時(shí)擰緊測(cè)微頭安裝孔的緊固螺釘）并按圖接線。

圖17—4   電渦流傳感器安裝、按線示意圖

2、將電壓表（F／V表）量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無(wú)誤后將渦流變換器的撥動(dòng)開關(guān)撥到“開”位置，開啟主電源開關(guān)，記下電壓表讀數(shù)，然后逆時(shí)針調(diào)節(jié)測(cè)微頭微分筒每隔0.1mm讀一個(gè)數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入表17。（在輸入端可接示波器觀測(cè)振蕩波形）

表17 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)

3、根據(jù)表17數(shù)據(jù)，畫出V－X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域試計(jì)算靈敏度和線性度（可用小二乘法或其它擬合直線）。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉所有電源。