实验二十 电涡流传感器位移实验
一、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、实验内容
用铁圆片检测电涡流传感器的位移特性。
三、实验仪器
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验原理
电涡流式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，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）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
五、实验注意事项
被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。
六、实验步骤
1、根据图20－1安装电涡流传感器。
2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3、将涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
图20－1 电涡流传感器安装示意图
图8－2 电涡流传感器位移实验接线图
4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vin相接。数显表量程切换到选择电压20V档。
6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控台电源开关，此时数显表读数为最小，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表。（实验结论：1、本实验每隔0.1mm是相对位置，起始值看做0.1mm即可，无需从测微头上读绝对位置。每旋转0.1mm，输出的电压的增量应该大致相等。2、由于学生做实验可能不能正确的找到起始点，导致采集的数据不在线性范围内，从而影响数据采集的线性度，可以让学生从选取的起始点开始计数，多计几组数据，然后选取线性度较好的十组数据，填入下表）
8、根据上表数据画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告二十》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
如何提高电涡流传感器的线性范围？
答：加大电涡流传感器的探头面积。原因：当探头面积增大时，线圈磁场轴向分布范围大，但磁感应强度的变化梯度小，即增大探头面积线性范围将增大，但灵敏度会有所降低。
第二篇：位移实验
综合实验二 位移实验
（一）电容式传感器的位移实验
一、实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理
利用电容C＝εA／d和其它结构的关系式，通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容式传感器。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图2-9所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2pｘ／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生?X位移时，电容量
的变化量为?C=C1－C2=ε2p2?X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)为常数，说明?C与位移?X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图2-9 圆筒式变面积差动结构电容式位移传感器
三、需用器件与单元
主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤
1．测微头的使用和安装参阅实验九。按图2-10将电容传感器装于电容传感器实验模板上，并按图示意接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)。
2．将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时针转３圈)。
3．将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到２ｖ挡，合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ ，再转动测微头(同一个方向)5圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈，即△Ｘ=０.５ｍｍ位移，读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表6，出Ｘ—Ｖ实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。
4．根据表6据计算电容传感器的系统灵敏度S、非线性误差δL 、迟滞误差δH。
5．实验完毕，关闭电源。
图2-10 电容传感器位移实验安装、接线图
表6 电容传感器位移与输出电压值。
（二）计算：
（1）计算系统灵敏度：
ΔU平均=(0.350－0.000)/6=0.0583mV
ΔX平均=2mm
S=ΔU平均/ΔX平均=0.0292mV/mm
（2）计算非线性误差：
拟合直线：y=0.06x-0.01
Δm =0.01mV
yFS=0.35mV
δL =Δm平均 / yFS×100%=2.857%
（3）计算迟滞误差
δH=0.01/ yFS*100%=2.857%
六、误差分析：
（1）实验仪器经常使用过后，有些许磨损，影响其精确度，进而造成误差。
（2）读数不稳定造成误差。
（3）因操作者在操作时的习惯和熟练度造成误差
（二 ） 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理
根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
三、需用器件与单元
主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
四、实验步骤
1．霍尔传感器和测微头的安装、使用参阅实验九。按图2-11意图接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)，将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到２ｖ挡。
2．检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节R W1使数显表指示为零。
图2-11 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图
3．以某个方向调节测微头2ｍｍ位移，记录电压表读数作为实验起始点；再反方向调节测微头每增加0.2mm记下一个读数(建议做4ｍｍ位移)，将读数填入表8。
表7
作出V－X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差与迟滞误差，关闭电源。
五、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
六 数据分析及处理
（一）数据记录：
霍尔式传感器位移实验特性曲线：
（二）计算：
（1）计算系统灵敏度：
ΔU平均=(12.045－3.145)/6=1.483mV
ΔX平均=2mm
S=ΔU平均/ΔX平均=0.742mV/mm
（2）计算非线性误差：
拟合直线：y=0.739x+3.071
Δm =0.109mV
yFS=8.9mV
δL =Δm平均 / yFS×100%=1.225%
（3）计算迟滞误差
δH=0.03/ yFS*100%=0.337%
七、误差分析
（1）实验仪器经常使用过后，有些许磨损，影响其精确度，进而造成误差。
（2）读数不稳定造成误差。
（3）因操作者在操作时的习惯和熟练度造成误差
八、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？
答：由霍尔传感器的工作原理可知，UH=KHIB；也就是说霍尔元件实际感应的是元件所在位置的磁场B的大小（在电流I一定的情况下），由上述分析可知，实验中霍尔元件位移的线性性实际上反映了空间磁场的线性分布，也就是说，它揭示了元件测量处磁场的线性分布。
（三） 电涡流传感器位移实验
一、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、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，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。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等参数有关。电涡流的产生必然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。电涡流工作在非接触状态(线圈与金属体表面不接触)，当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
三、需用器件与单元
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)。
四、实验步骤
1．观察传感器结构，这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅实验九；根据图2-12装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。
图2-12 电涡流传感器安装、按线示意图
2．调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V挡，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据列入表8
表8电涡流传感器位移X与输出电压数据。
3．根据表8据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点(即曲线线性段的中点)，试计算测量范围为1mm与3 mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其他拟合直线）。实验完毕，关闭电源。
五、思考题
1．电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
2．用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器？
六、数据分析及处理
（一）作图：
（1）数据记录：
（2）电涡流传感器位移实验特性曲线：
（二）计算：
（1）由特性曲线知，线性起点为0.00mm处，线性范围为0.00——1.00mm之间。
正、负位移测量时的最佳工作点：1.00/2=0.05mm
（2）范围为1mm与3 mm时的灵敏度和线性度：
=0.219
=3.443
可得拟合直线为y=0.219x+3.443
七、误差分析
（1）由于直线位移执行器与传感器存在非线性区间，所以导致通过实验所测得数据的特性曲线不是完全的线性关系。
（2）实验仪器经常使用过后，有些许磨损，影响其精确度，进而造成误差。
（3）读数不稳定造成误差。
（4）因操作者在操作时的习惯和熟练度造成误差
八、思考题：
1．电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
答：根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况, 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类, 但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量, 另外还具有体积小, 灵敏度高, 频率响应宽等特点, 应用极其广泛。电涡流传感器的工作原理是通过对处于检测线圈形成的电磁场中的工件及周围空间区域列出麦克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈的阻抗特性的变化与被检工件受影响因素之间的关系。
2．用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器？
答：电涡流传感器采用的是感应电涡流原理,当带有高频电流的线圈靠近被测金属时,线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流,电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。
通过电路可将被测金属相对于传感器探头之间距离的变化转化为电压或电流变化。电涡流传感器就是根据对金属物体的位移、振动等参数的测量。
（四） 光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理
本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。
三、器件与单元
主机箱、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面。
四、实验步骤
1．根据图2-13意安装光纤位移传感器和测微头，二束光纤分别插入实验模板上的光电座(其内部有发光管D和光电三极管T )中；测微头的安装、使用可参阅实验九附：测微头的组成与使用。其他接线接图2-13。
图 2-13光纤传感器位移实验接线图
2．检查接线无误后，合上主机箱电源开关。调节测微头，使光反射面与Ｙ型光纤头轻触；再调实验模板上的RW、使主机箱中的电压表(显示选择开关打到20Ｖ挡)显示为０Ｖ。
3．旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读取电压表显示值，将数据填入表9根据表9据画出实验曲线，计算测量范围1mm时的灵敏度和非线性误差及迟滞误差，关闭电源。
表9 光纤位移传感器输出电压与位移数据。
五、思考题
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
六、数据记录及处理
（一）光纤位移传感器输出电压与位移数据：
（二）光纤位移传感器特性曲线：
（三）测量范围的灵敏度和非线性误差及迟滞误差
（1）计算7.80mm-9.30mm系统灵敏度：
ΔU平均=[(2.465-1.720)+(1.720-0.720)+（0.720-0.000）]/3=0.822mV
ΔX平均=0.50mm
S=ΔU平均/ΔX平均=0.822mV/0.50mm=1.644mV/mm
（2）计算非线性误差：
拟合直线：y=1.745x-13.7635
Δm= 0.1525mV
yFS=2.465mV
δL =Δm平均 / yFS×100%=6.19%
（3）计算迟滞误差
δH=0.03/ yFS*100%=1.217%
七、误差分析
（1）实验仪器经常使用过后，有些许磨损，影响其精确度，进而造成误差。
（2）读数不稳定造成误差。
（3）因操作者在操作时的习惯和熟练度造成误差
八、思考题
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？
答：由上述实验数据以及图表可知：传感器的输入输出为非线性关系，也就是说光纤传感器在不同的位置具有不同灵敏度，在使用时应该注意选择恰当的传感器以使在测量范围附近获得较好的灵敏度！