电涡流传感器系列实验

电涡流传感器系列实验实验一：电涡流传感器的静态标定摘要：电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。①1实验目的了解电涡流式传感器的原理及工作性能2实验所用仪器设备涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主副电源②3实验原理通以高频电流的线圈产生磁场，当有导体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体的材料以及和线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。②4实验步骤（1）装载好传感器（2）连接电路，电压表置于20V档，开启主副电源（3）用示波器观察涡流变换器的输入端波形（4）调节传感器的高度值，改变高度，记下示波器及电压表的示数5实验结果与分析(1)涡流变换器输入端的波形为正弦波，示波器的时基为0.2μs/cm(2)改变传感器的高度值，记录电压表示数，记录如下表X(mm)16.15016.05015.95015.85015.75015.65015.55015.450Vp-p(v)6.006.006.006.006.006.006.006.00V(v)-4.10-4.14-4.18-4.21-4.24-4.27-4.31-4.33V—X曲线如下图所示V-X曲线-4.35-4.3-4.25-4.2-4.15-4.1-4.05-4-3.9515.45015.55015.65015.75015.85015.95016.05016.150X(mm)V(v)由曲线，我们可以得到灵敏度为K=0.05v/0.100mm=0.5v/mm，由此可以看到涡流传感器灵敏度高，分辨力高。6实验心得与建议该涡流传感器测量灵敏度高，分辨力高，线性度也很好，在涉及到一些导体的位置、位移等相关测量时，使用涡流传感器可以很好的实现不接触测量。而且电涡流传感器利用的是涡流效应，可以利用其进行导体内部的一些性质。7思考拓展1：位移传感器的静态自动标定与实验研究传感器作为自动控制系统和信息系统的关键器件其技术水平直接影响自动化系统和信息系统的整体水平。自动化技术水平越高对传感器技术依赖程度越大，传感器产业以其技术含量高，渗透能力强，经济效益好，市场前景广等优点被公认为是国内外具有发展前途的高技术产业，受到全社会的瞩目。全世界约有40个国家从事传感器器件的研制生产和应用开发工作，其中以日俄美等国实力较强，他们创建了化学量物理量生物量三大门类的传感器产业生产研发单位5000余家，产品20000多种，并且已对应用范围较广的产品进行了规模化生产。大型企业的年生产能力达到几千万只到几亿只。我国已初步建立了敏感元件和传感器产业，但与发达国家还有很大差距。全国已有2000多家单位从事传感器的研制生产和应用工作，目前我国正准备执行十二五计划，新型灵敏传感器也列入研究开发的重点，预计到十二五规划结束时期敏感元器件与传感器年总产量有望达20亿只。在众多的传感器中电涡流位移传感器具有频率相应宽，结构简单，灵敏度高，测量线性范围大，抗干扰能力强，以及非接触测量等优点。它是以电磁感应原理为基础，是通过对处于探头线圈形成的电磁场中的被测体（必须为金属导体）及其周围空间区域列出麦克斯韦方程及边界条件，然后进行求解以确定探头线圈阻抗特性或感应电压的变化与被测体各影响因素之间的关系，它被广泛应用在国防工业医学航空航天等众多领域是传感器家族中极为重要的一部分。大量电涡流传感器每年被生产出来并投入使用，却没有与之相配套的电涡流位移传感器的自动标定装置，从工作量上这无疑是一个巨大的人力资源和劳动时间的浪费，采用人工实验方法进行静态标定从操作上不满足便捷性要求而所获得的结果又很难满足精确性要求，所以工程应用急需电涡流位移传感器静态标定装置的产生。远东测振北京系统工程有限公司是主要生产振动传感器的国有企业，其中也大量生产各种型号的电涡流传感器，电涡流传感器作为一种比较灵敏的位移传感器，其主要工作性能和质量控制指标是检测精度和工作稳定性。而目前该厂的电涡流传感器出厂检测和标定全是由人工来进行，将需要检测和标定电涡流传感器固定，自制的静态标定上向电涡流传感器供电通过静标台上用外径千分尺改造的位移机构，手动使静标台上的动盘轴向移动，使动盘相对电涡流传感器探头之间的距离发生变化，并用电压表测量其信号输出端的电压变化，操作者观察外径干分尺转过的刻度定的间隔记录对应的电压输出将所读到的位移刻度值与输出信号值对应起来，通过手工绘图获得该电涡流传感器的标定曲线。由于这种检测方法中输入位移和输出信号都是靠人工读取，这样就不可避免地会存在人为误差。而且测点少得到的静态标定曲线误差大不能完全反应传感器特性，只能获得线性工作段的曲线不能完全了解电涡流传感器在整个工作过程当中的特性。所以研制一套实用的精确的自动标定系统的需求越来越迫切，这样操作者只要安装需要标定的电涡流传感器，然后点击启动按钮就可以自动完成整个标定工作并得到准确的标定曲线。③拓展2：传感器的动态标定:一些传感器除了静态特性必须满足要求外，其动态特性也需要满足要求。因此在进行静态校准和标定后还需要进行动态标定，以便确定它们的动态灵敏度、固有频率和频响范围等。传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：一是周期函数，如正弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼和动态灵敏度等。④文献检索：①（电涡流传感器—静态标定）②《大学物理实验·下册》2001年唐远林、朱肖平主编，重庆大学出版社23页③《北京化工大学》2010年丁美莹硕士学位论文④（传感器的标定）实验二：移位实验中被测材质对电涡流传感器特性影响摘要：电涡流传感器是传感器中十分重要的一个传感器，根据传感器产生交变磁场的原理，我们能够利用此传感器进行一系列的实验从而深入对传感器的重要探索以及应用。因而，继续深入研究，我们便发现可以利用他来探究不同金属条件下电涡流传感器对其特殊的性质。这对于传感器而言是非常重要的应用延伸。在其他领域，本文也将探究电涡流传感器的广泛应用。关键词：电涡流传感器金属材质应用1实验目的了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。2所需单元及部件涡流传感器、涡流变换器、铁测片、铝测片、F/V表、震动台、主副电源3基本原理通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，即涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离X有关。电涡流的产生势必要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。①4实验设备与器件单元主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片、铝圆片和铜圆片）。②5数据处理5.1X与V的关系结论根据实验数据有：铁圆片最理想的线性区域为：1.4-2.4mm；最佳工作点：1.9mm；延伸至3mm长时理想的线性区域为：1.1-4.1mm。铝圆片最理想的线性区域为：0.1-0.9mm；最佳工作点：0.5mm；延伸至3mm长时理想的线性区域为：0-3.0mm。6求灵敏度和线性误差：6.1铁圆片1)线性区域为1mm数据如下：x(mm)1.41.51.61.71.81.922.12.22.32.4V(V)1.51.61.71.791.891.992.092.192.282.382.48这里采用最小二乘法拟合线。由EXCEL辅助求出最小二乘拟合方程为：，灵敏度错误!未找到引用源。。下图中作出了实测值与拟合值的偏差曲线，从图中可以看出，当x=2.1mm时有最大偏差错误!未找到引用源。。而错误!未找到引用源。，所以:错误!未找到引用源。图22)线性区域为3mm数据如下：这里采用最小二乘法拟合线。由EXCEL辅助求出最小二乘拟合方程为：错误!未找到引用源。，灵敏度错误!未找到引用源。。下图中作出了实测值与拟合值的偏差曲线，从图中可以看出，当x=4.1mm时有最大偏差错误!未找到引用源。。而错误!未找到引用源。，所以:错误!未找到引用源。x(mm)1.11.21.31.41.51.61.71.81.922.1V(V)1.2301.3201.411.51.61.71.791.891.992.092.19x(mm)2.22.32.42.52.62.72.82.933.13.2V(V)2.282.382.482.592.692.782.882.983.083.183.27x(mm)3.33.43.53.63.73.83.944.1V(V)3.363.463.563.653.743.833.924.024.11图36.2铝圆片1)线性区域为1mm数据如下：x(mm)0.10.20.30.40.50.60.70.80.9V(V)1.311.491.681.862.042.22.362.532.69这里采用最小二乘法拟合线。由EXCEL辅助求出最小二乘拟合方程为：错误!未找到引用源。，灵敏度错误!未找到引用源。。下图中作出了实测值与拟合值的偏差曲线，从图中可以看出，当x=0.5mm时有最大偏差错误!未找到引用源。。而错误!未找到引用源。，所以:错误!未找到引用源。图62)线性区域为3mmx(mm)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91数据如下：这里采用最小二乘法拟合线。由EXCEL辅助求出最小二乘拟合方程为：，灵敏度错误!未找到引用源。。下图中作出了实测值与拟合值的偏差曲线，从图中可以看出，当x=3mm时有最大偏差错误!未找到引用源。。而错误!未找到引用源。，所以:错误!未找到引用源。图7总结：由于被测体材质不同，传感器的特性也有不用。取线性区域为1mm时，灵敏度S的关系为：铝铁，而非线性度的关系为：铝铁；取线性区域为3mm时，灵敏度S的关系为：铝铁，而非线性度的关系为：铝铁。7思考7.1查阅资料，关于电涡流传感器简单原理应用。电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理③。它利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内之磁力通过含铁质锅底部时。即会产生无数之小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物。微波炉是利用食物在微波场中吸收微波能量而使自身加热的烹饪器具④。在微波炉微波发生器产生的微波在微波炉腔建立起微波电场，并采取一定的措施使这一微波电场在炉腔中V(V)1.161.311.491.681.862.042.22.362.532.692.86x(mm)1.11.21.31.41.51.61.71.81.922.1V(V)3.013.153.33.463.623.733.863.994.134.234.37x(mm)2.22.32.42.52.62.72.82.93V(V)4.484.594.74.814.9155.15.195.28尽量均匀分布，将食物放入该微波电场中，由控制中心控制其烹饪时间和微波电场强度，来进行各种各样的烹饪过程。7.2探究关于金属探伤与此传感器的关联。根据资料介绍，电涡流传感器可用于在金属电压的探测⑤。由此我们根据资料假设。是否可根据已知的资料，来判断电涡流传感器是否可进行金属方面的探伤。随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的无损检测方法如超