一、電渦流傳感器位移實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>

了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。

二、電渦流傳感器位移基本原理：

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導(dǎo)電體—金屬渦流片）組成，如圖17.1.1所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場H1，當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，原線圈反饋一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣可得到如圖17.1.2的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線

         圖17.1.1 電渦流傳感器原理圖                            圖17.1.2電渦流傳感器等效電路圖

圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。

根據(jù)等效電路可列出電路方程組：

通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復(fù)阻抗為：

線圈的等效電感為：

線圈的等效Q值為：

Q＝Q0{[1-(Ｌ2ω2Ｍ2)/(Ｌ1Ｚ22)]／［1+(R2ω2Ｍ2)/( R1Ｚ22)］}

式中：Q0 — 無渦流影響下線圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；

Ｚ22— 金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。

由式Z、L和式Ｑ可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Ｑ值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導(dǎo)體間距離x(H)的非線性函數(shù)。因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非線性函數(shù)。雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為"S"型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實(shí)Z、L、Ｑ的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當(dāng)電渦流線圈、金屬渦流片以及激勵源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關(guān)。于此，通過傳感器的調(diào)理電路（前置器）處理，將線圈阻抗Z、L、Ｑ的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。

   為實(shí)現(xiàn)電渦流位移測量，必須有一個專用的測量電路。這一測量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量實(shí)驗(yàn)框圖如圖17—2所示：

圖17—2 電渦流位移特性實(shí)驗(yàn)原理框圖

根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數(shù)，用相應(yīng)的測量電路（前置器）來測量。

本實(shí)驗(yàn)的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測量電路，電路原理與面板如圖17—3所示。電路組成：⑴Q1、C1、C2、C3組成電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號的幅值變化。⑵D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號中傳感器檢測到的低頻信號取出來。⑶Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。

電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機(jī)械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。當(dāng)無被測導(dǎo)體時，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且很高，對應(yīng)的檢波輸出電壓Vo 很大。當(dāng)被測導(dǎo)體接近傳感器線圈時，線圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移ｘ的變化。電渦流傳感器在位移、振動、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測量上得到應(yīng)用。

圖17—3電渦流變換器原理圖與面板

三、需用器件與單元：

機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器、被測體(鐵圓片) 、測微頭、主板F／V表、渦流變換器、示波器（自備）。

四、實(shí)驗(yàn)步驟：

1、觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個平繞線圈。調(diào)節(jié)測微頭初始位置的刻度值為5mm處，按圖17—4安裝測微頭、被測體、電渦流傳感器（注意安裝順序：先將測微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內(nèi)，再將被測體套在測微頭的測桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；而后平移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相帖時擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘）并按圖接線。

圖17—4   電渦流傳感器安裝、按線示意圖

2、將電壓表（F／V表）量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無誤后將渦流變換器的撥動開關(guān)撥到“開”位置，開啟主電源開關(guān)，記下電壓表讀數(shù)，然后逆時針調(diào)節(jié)測微頭微分筒每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入表17。（在輸入端可接示波器觀測振蕩波形）

表17 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)

3、根據(jù)表17數(shù)據(jù)，畫出V－X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域試計算靈敏度和線性度（可用小二乘法或其它擬合直線）。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉所有電源。