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。①

1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②

3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。②

4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

V—X曲线如下图所示

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：

①http://wlsy.cug.edu.cn/html/shiyanjiaoxue/teseshiyan/2010042289.html（电涡流传感器—静态标定）

②《大学物理实验·下册》 20##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》20##年 丁美莹 硕士学位论文

④http://www.elecfans.com/yuanqijian/sensor/20100530218690.html（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。①

4 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）。②

5 数据处理

5.1 X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：

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。

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。而，所以:

 

 

图2

2)        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：，灵敏度。

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。而，所以:

 

 

图3

6.2 铝圆片

1)        线性区域为1mm

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。

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。而，所以:

 

 

图6

2)        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：，灵敏度。

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。而，所以:

 

 

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声波检测、射线照相检测等测量方法已不能满足要求。于是，许多先进的无损检测技术被开发应用于这些领域，ICT（Industrial Computed Tomography--简称工业CT）技术便是其中的一种。⑥。

其假设为：由于电涡流传感器对于金属的比较敏感。如果金属某区域出现了做工问题，亦或者是金属中厂商为了偷工减料，加入其他材质的金属，那么可以根据电涡流传感器对于不同金属的高度敏感性，来探究电涡流传感器在其他新的领域开拓市场的可行性。

文献检索：

①：wapbaike.baidu.com/view/631265.htm?adapt=1&fr=aladdin&bd source light=1701851 《电涡流传感器——百度百科》

②：《大学物理实验·下册》 20##年 唐远林、朱肖平主编，重庆大学出版社25页

③：http://www.pep.com.cn/gzwl/jszx/tbjx/kb/xx3/xx32/ck/201009/t20100903_869475.htm 《涡流在电器中的应用》

④: http://baike.baidu.com/subview/9668/11140856.htm 《微波炉——百度百科》

⑤：http://baike.baidu.com/view/631265.htm 《电涡流传感器——百度百科》

⑥：http://baike.baidu.com/view/125256.htm  《金属探伤——百度百科》

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，与方向相反，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。

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。线圈的品质因数为

                       （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

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W_D，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V_P-P值，同时利用实验内容一的结果求出距离变化范围X_P-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。

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