K测控121 31郁林实验五电涡流传感器振幅测量

时间:2024.3.20

 实验五  电涡流传感器振幅测量 

                                         

一、实验目的

通过复习电涡流传感器位移测量工作原理,利用实验室现有器材设计电涡流传感器振幅测量电路及测量方法。

二、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。

三、实验所需部件

电涡流传感器、涡流变换器、金属涡流片、直流稳压电源、测微仪、差动放大器、示波器、电压表、激振器、低频振荡器。

四、实验要求

1、首先,利用电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微仪、示波器和电压表进行电涡流传感器的静态标定工作:

(1) 安装好电涡流线圈和金属涡流片,注意两者必须保持平行。安装好测微头,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表20V档;

(2) 开启仪器电源,用测微仪将电涡流线圈与涡流片分开一定距离,此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形,信号频率约为1MHz;

(3) 用测微仪带动振动平台,使平面线圈完全贴紧金属涡流片,此时涡流变换器输出电压为零,涡流变换器中的振荡电路停振(或者滑动定位器使其输出补偿为零);

(4) 旋动测微仪使平面线圈离开金属涡流片,从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数,并用示波器观察变换器的高频振荡波形。

2、利用试验台现有模块设计电涡流传感器振幅测量系统的电路原理图。

3、利用所设计的电涡流传感器位移测量系统进行振幅测量。

(1) 根据标定数据找出电涡流传感器的线性范围,取线性范围中间点为系统测量的初始零点;

(2) 接通激振器I,调节低频振荡器频率,使其在15~30Hz范围内变化,用示波器观察涡流变换器输出波形,记下VP-P值;

(3) 可同时用双线示波器另一通道观察涡流变换器输入端的调幅波;

(4) 变化低频振荡器频率和幅值,提高振动圆盘振幅,用示波器观察变换器输出波形。

五、实验报告

1、将标定所测V、x数据填入表格,作出V—x曲线,指出线性范围,计算系统非线性误差,求出灵敏度。

线性范围:

中间点 x=2mm 起始点x=0.2 mm终点 x=3.8mm

灵敏度S=△V/△X=(3.6-0.22)/(3.8-0.2)=0.939V/mm

2、设计电涡流传感器位移测量的测量电路,绘制电路框图,并指出框图中各部分的功能。

电涡流传感器:电涡流传感器利用检测线圈与被测导体之间的涡流效应进行测量 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的函数.    

  差动放大器:放大电路的电压

      示波器:电压显示波形、峰峰值,频率等参数。

   3、根据实验过程,简述电涡流传感器测量振幅的流程。

答:实验的基本原理:首先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(其实就是使其存在交变电场),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。

(1)、连接主机与实验模块电源,并在主机上的振动圆盘旁的支架上安装好电涡流传感器,接好实验线路,并将线圈安装在距涡流片最佳工作位置,直流稳压电源置20V 档,其原则是接入电路的负电压值一定要高于电涡流变换电路的电压输出值以便调零),差动放大器增益调至最小(增益为1),仅做为一个电平移动电路。

(2)、开启主机电源,调节电桥WD电位器,使系统输出为零。

(3)、开启激振I,调节低频振荡频率,使振动平台在15~30Hz范围内变化,用示波器观察输出波形,记下Vp-p 值,利用实验结果求出波形变化范围内的X 值。

(4)、降低激振频率,提高振幅范围,用示波器就可以看出输出波形有失真现象,这说明电涡流传感器的振幅测量范围是很小的。

4、根据实验结果,评价电涡流传感器测量振幅系统的优缺点,并记录其线性范围内的一个波形图及VP-P值。

 

Vpp=5.60V

优点:它可进行非接触测量,并且测量范围大,灵敏度高,不受油污等介质的影响,结构简单,安装方便等。

缺点:电涡流传感器输出的线性范围大约为1/3到1/5的线圈外径,其线性度页比较低,对被测材料敏感性强。如果被测对象的材料不同,定频、调幅式、变频调幅式传感器的灵敏度和线性范围都要改变,必须重新矫校正。而且涡流传感器的测量精度难以达到几个微米.

5、实验小节(实验结果分析、实验中遇到的问题及解决办法以及实验体会)。

答:

    实验结果分析:对于实验结果和实验时的现象和图可以推测电涡流式传感器是有测量范围的,即电涡流式传感器与被测物体要在一定的范围内才能有相对准确的测量结果。

   实验遇到的问题和解决方法:  刚开始做实验的时候转高度调机器转了几圈电压读数都没有变化,当我们转了好多圈终于有读数了,然而当转到低使得它与金属片接触发现波形失真,通过实验我们推测实验的金属片和底台是不能完全贴合,而且如果一边有较大缝隙,影响线性区,使其减小,从这次实验我知道了做实验就是要多尝试这个方法不行换另一个,多变幻,细心,不能一棵树上吊死。还有一定要知道他的原理多看书,这样能找出实验失败的原因,再加以修正方可成功实验。

如图所示它的测量范围特性图


第二篇:电涡流传感器实验


电涡流传感器实验

实验目的

1 掌握电涡流传感器的基本结构和工作原理。

2 通过实验了解不同材料对电涡流传感器特性的影响。

3 通过电涡流方法测量振幅、重量、电机转速,掌握电涡流传感器的实际应用技术。

4 掌握电涡流传感器的静态标定方法,通过实验进行电涡流传感器的静态标定。

实验原理

电涡流传感器由平面线圈和金属片组成。当线圈中通以高频交变电流后,与其平行的金属片上受感应而产生涡旋状电流,这种现象称为涡流效应。产生的感应电流,又称为电涡流。电涡流传感器正是基于这种涡流效应而工作的。如图1所示,一个通有交变电流的线圈,置于一块导电材料附近,由于交变电流的存在,在线圈周围就产生一个交变磁场,导电材料内便产生电涡流,电涡流也将产生一个新磁场方向相反,因而抵消部分原磁场,从而导致线圈的等效阻抗发生变化。可见,线圈与导体之间存在着磁的联系,若把导电材料看成一个具有内阻的线圈,则图1可用图2所示的等效电路表示。分别为线圈和导电材料的等效电阻,分别为线圈和导电材料的等效电感。M为互感参数,表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。

文本框:  
图1 电涡流效应图                    2 电涡流效应的等效电路

由图2可列出下列方程

                     (1)

解式(1),可得线圈的等效阻抗

            (2)

前两项为等效电阻,第三项为等效电抗,第三项中括号内为等效电感。线圈的品质因数

                       (3)

由上不难看出,金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体之间的距离x以及线圈激励电流的角频率ω等参数,都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。或者说.线圈等效阻抗是这些参数的函数,即

                          (4)

若能保持上述四个参数中的任意三个参数恒定,则等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的关系,构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系。

利用位移x作为变换量,可以非接触的测量位移、厚度、振动、转速等,也可做成接近开关等。图3为电涡流位移传感器的几种具体应用。图(a)为轴的轴向位移的测量,图(b)为先导阀或换向阀位移测量,图(c)为金属热膨胀系数测量。测量位移范围可从0~1mm到0~30mm.分辨率为满量程的0.1%。

图3 电涡流位移传感器的几种具体应用

图4为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。在被测对象上开一条或数条槽或做成齿状,旁边安装一个电涡流式传感器。当转轴转动时,传感器周期地改变着与转轴之间的距离,于是它的输出也周期性地发生变化。此输出信号经放大、变换后,可以用频率计测出其变化频率,从而测出转轴的转速。若转轴上开Z个槽,频率计读数为f (单位为Hz ) ,则转轴的转速n(单位为r/min )的数值为n=60f/Z

图4 利用电涡流传感器测量转速

实验仪器

CSY10B型传感器系统实验仪(电涡流传感器、电涡流变换器、测微头、电压/频率表、差动放大器、电桥、测速电机及转盘)、三种金属涡流片(铁、铜、铝)、示波器、砝码等

实验内容与步骤

一、     电涡流传感器的传感特性和静态标定

文本框:  
图5 电涡流传感器标定

1、 按照图5安装好电涡流线圈和金属涡流片,注意二者必须保持平行(必要时可稍许调整探头角度)。安装好测微头,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表20V档。

2、 开启仪器电源,用测微头将电涡流线圈和涡流片分开一定距离,此时输出端有一电压值输出。将示波器接涡流变换器输入端,观察电涡流传感器的高频波形。信号频率约1MHz。

3、用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片,此时涡流变换器的输出电压为零,涡流变换器中的振荡电路停振。

4、 旋动测微头是平面线圈离开金属涡流片,从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数,并用示波器观察高频振荡波形。将被测位移X、输出电压V的读数填入下表,作出V~X曲线,指出线性范围,找出其最佳工作点并求出灵敏度。

表格1   被测位移X与输出电压V关系

注意事项:

当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时,接入示波器会影响线圈的阻抗,使变换器的输出电压减小(如果示波器探头阻抗太小,甚至会使变换器电路停振而无输出),或是使传感器在初始状态有一死区。

二、被测材料对电涡流传感器特性的影响

1、 按内容一的方法重新安装好传感器,开启电源。

2、 分别对铁、铜、铝被测体进行测量,记录被测位移X、输出电压V的读数。

3、 依据所记录的数据,在同一个坐标下作出涡流传感器对不同被测材料的V~X曲线。

4、 分别找出传感器对各种被测材料的线性范围、灵敏度、最佳工作点,并进行比较。可得出结论:对于不同被测材料,涡流传感器的灵敏度、线性范围都不相同,必须分别进行标定。

三、电涡流传感器的振幅测量

1、 按图6接线(具体接线参见后面的附图2)。

图6 电涡流传感器称重

根据实验内容二的结果,将平面线圈安装在最佳工作点,直流稳压电源置±10V档,差动放大器在这里仅作为一个电平移动电路,增益置最小处(1倍)。调节电桥电路的WD,使系统输出为零。

2、 接通“激振器I”, 调节低频振荡器频率,使其在10~30Hz范围内变化,用示波器观察涡流变换器输出波形,记下VP-P值,同时利用实验内容一的结果求出距离变化范围XP-P。3、可同时用双踪示波器的另一通道观察涡流变换器输入端的调幅波。

4、变化低频振荡器频率和幅值,提高振动圆盘振幅,用示波器可以看到变换器输出波形有失真现象,这说明电涡流式传感器的振幅测量范围是很小的。

四、用电涡流传感器称重

1、 按图6接线(具体接线参见后面的附图2)。

2、 差动放大器增益调为1,输出接电压表20V档。利用实验内容一的结果,将平面线圈安装在线性工作范围的起始点。调整电桥,使系统输出为零。

3、 在测量平台中间逐步增加砝码,记录被测重量W和输出电压值V。

4、 依据所测量的对应数据,作出传感器特性(V~W)曲线,计算灵敏度。

5、 取下砝码,放上未知重量之物品,根据标定曲线计算被测物重量,并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。

五、电涡流传感器测量电机转速

1、 将电涡流传感器线圈支架转一角度,安装于电机转盘上方,线圈与转盘面平行,在不摩擦的前提下距离越近越好。

2、 如图7所示,电涡流线圈与涡流变换器相接,涡流变换器输出接示波器,开启电机开关,调节转速,同时调整平面线圈在转盘上方的位置,通过示波器观察,使变换器输出的脉动波对称。

3、 仔细观察示波器两相邻波形的峰值是否一致,如有差异,说明平面线圈与转盘或者不平行、或者电机本身存在振动。利用已经获得的铁材料涡流片特性曲线可大致判断转盘面与线圈的不平行度。

4、 将电压/频率表2kHz档接入涡流变换器输出端,读取脉动波形变化的周期数值,并与示波器读取的频率作比较。转盘的转速=脉动波形数÷2。

文本框:  
图7 电涡流传感器测转速

注意事项

1、    认真检查电路接线,开关倒向,仪表量程等,各信号源之间严禁用连接线短路,确认无误后再接通电源。

2、    在实验过程中,如发现异常火花、异声、异味、冒烟或过热等现象,应立刻断开电源开关,保持现场,请指导教师一起检查原因。

3、    实验结束应先断开电源开关,然后才能拆线,切忌带电插拔导线。

4、    离开实验室前应整理好实验仪器、连接导线等实验器材。

附     图

文本框:  
附图1    CSY10B型传感器实验仪工作台布局图

文本框:  附图2   电涡流式传感器的振幅测量(或称重)实验接线图

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