实验十七电涡流传感器轴心轨迹测量实验

一. 实验目的
    通过本实验了解和掌握电涡流传感器测量的原理和方法。

二. 实验原理
    电涡流传感器就是能静态和动态地非接触，高线性度，高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。
    探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离d、电流强度i和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用z=f(τ, ξ, б, d, i, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, i, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗z就成为距离d的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"s"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离d的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
    涡流检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺陷等的检测方法。
    涡流检测只适用于能产生涡流的导电材料。同时，由于涡流是电磁感应产生的，在检测时，不必要求线圈与试件紧密接触，也不必在线圈和试件之间充填满合剂，从而容易实现自动化检验。对管、棒、丝材表面缺陷，涡流检查法有很高的速度和效率。
    涡流及其反作用磁场对代表金属试件物理和工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途的试验方法。然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应，也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正确进行。
    涡流检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线、离线探伤。在探伤过程中，能同时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷（如通孔）；能够有效抑制管道在线、离线检测时的某些干扰信号（如材质不均、晃动等），对金属管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵敏度；还可用于机械零部件混料分选，渗碳深度和热处理状态评价，硬度测量等。
    

三. 实验仪器和设备
1. 计算机 n台
2. drvi快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 转子实验台 1套
4. 开关电源（ldy-a） 1台
5. 并口数据采集仪（lepp-daq2） 1台
6. 电涡流传感器 2套

四. 实验步骤及内容
1. 将数据采集仪，电源与计算机正确连接，在转子实验台支架上安装电涡流传感器探头（x、y向互成90度），将输出电缆与前置器相连，信号经前置器处理后再经过信号采集仪最终输入到计算机中。

图17.1 电涡流传感器工作原理图

2. 启动服务器，运行drvi主程序，开启drvi数据采集仪电源，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从drvi工具栏和快捷工具条中启动"drvi微型web服务器"和"内置的web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的drvi客户端程序，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器ip地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。
4. 在drvi软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器ip地址:8600/gccslab/index.htm"，打开web版实验指导书，在实验目录中选择"电涡流传感器轴心轨迹测量"实验，参照实验原理和要求设计该实验。
5. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入drvi软件平台。启动转子试验台，点击面板中的"运行"按钮，进行轴心轨迹的测量。如果波形不清楚，需要调节电涡流探头与轴之间的距离，直到两个方向的波形稳定，振幅相近为止。服务器端实验效果图如图17.2所示。

图17.2 转子实验台-电涡流传感器轴心轨迹测量实验（服务器）

6. 调节电机转速，观察随着转速的变化，轴心轨迹曲线的变化情况，分析并记录实验结果。

图17.3 转子实验台-电涡流传感器轴心轨迹测量实验（客户端）

7. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的ip地址，在服务器端进行数据采集的同时，点击"运行"按钮进行网络数据采集，观察随着转速的变化，轴心轨迹的变化情况，并记录实验结果。客户端实验样本图如图17.3所示。

五. 实验报告要求
1. 简述实验目的和原理。
2. 根据实验步骤要求，整理和分析相应的波形和特性曲线。

六. 注意事项
1. 安装电涡流探头时，必须首先把初始间隙调好。
2. 没有低通滤波功能的实验脚本得到的波形由于干扰较大，特征不明显，所以一般采用有低通滤波功能的实验脚本。

七. 思考题
1. 电涡流传感器有什么特性？可以用在那些特征量的检测上？

第二篇：电涡流传感器实验

电涡流传感器实验

应物1001班        张进保       U201017303

【实验目的】

1．掌握电涡流传感器的基本结构和工作原理；并通过实验了解不同材料对电涡流传感器特性的影响。

2． 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。

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。

【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。

图 1 电涡流效应图          2  电涡流效应的等效电路

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。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、磁导率、线圈与金属导体之间的距离以及线圈激励电流的角频率等参数，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。

【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、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。

（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）用电涡流传感器称重

1、 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。

2、 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。

3、 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。

4、 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。

（四）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、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。

【实验数据与处理】

（一）

1、铜片

铜片图

由上可知，当工作距离在12.000-13.750（mm）之间时，其曲线线性度较好。灵敏度v/d=0.1416v/mm.

（二）

2、铁片

铁片图

由上可知，当工作距离在10.750-13.750（mm）之间时，其曲线线性度较好。灵敏度v/d=0.2887v/mm.

3、铝片

由左可知，当工作距离在15.500-18.000（mm）之间时，其曲线线性度较好。灵敏度v/d=0.3224v/mm.

（三）铜片：

由上图可知，最后两个数据已工作在非线性区，故舍去。

可算出灵敏度U/m=0.0015(v/g)

（四）实验数据 T=14ms  ?  f=1000/14=72Hz

     故 转速=36r/s

【简述误差】

1． 实验的金属片和底台不能完全贴合，一边有较大缝隙，影响线性区，使其减小。

2． 线性工作区过短，使得需要的有效实验数据减少，不利于分析。