電渦流位移傳感器設計電渦流位移傳感器設計

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1、傳感器課程設計 燕山大學 課 程 設 計 說 明 書 題目：電渦流位移傳感器設計 學院（系）：電氣工程學院 年級專業(yè)： 09醫(yī)療儀器1班 學 號： 090103040048 學生姓名： 宮喜慶 指導教師： 徐永紅 教師職稱： 副教授 燕山大學課程設計（論文）任務書 院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：電子實驗中心 學 號 090103040048 學生姓名 宮喜慶 專業(yè)（班級） 醫(yī)療儀器1班 設計題目 電渦流位移傳感器設計

2、 設 計 技 術(shù) 參 數(shù) 工 作 計 劃 1 答辯并寫好任務書 2 畫出電路圖和探頭部分結(jié)構(gòu)圖 參 考 資 料 【1】賈伯年 傳感器技術(shù) 東南大學出版社 2007 【2】林志琦 信號發(fā)生電路原理與實用設計 人民郵電出版社 2010 【3】Arthur B.Williams 著 寧彥卿 譯 電子濾波器設計 科學技術(shù)出版社 2008 指導教師簽字 徐永紅 基層教學單位主任簽字 說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。 年 月 日

3、 目錄 摘要…………………………………………………………………4 電渦流位移傳感器設計……………………………………………5 一、總體設計方案……………………………………………5 二、電渦流傳感器的基本原理………………………………6 2.1 電渦流傳感器工作原理……………………………6 2.2 電渦流傳感器等效電路分析………………………6 2.3 電渦流傳感器測量電路原理………………………8 三、實驗數(shù)據(jù)………………………………………………13 3.1 電渦流透射式……………………………………13 3

4、.2 電渦流反射式……………………………………14 個人小結(jié)……………………………………………………17 參考文獻……………………………………………………17 摘要 隨著現(xiàn)代測量、控制盒自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越受到人們的重視。特別是近年來，由于科學技術(shù)的發(fā)展及生態(tài)平衡的需要，傳感器在各個領(lǐng)域的作用也日益顯著。傳感器技術(shù)的應用在許多個發(fā)達國家中，已經(jīng)得到普遍重視。在工程中所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，及研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速的非電量技術(shù)。電渦流傳感器已成為目前電測技術(shù)中非常重

5、要的檢測手段，廣泛的應用于工程測量和科學實驗中。 關(guān)鍵詞：電渦流式傳感器 傳感器技術(shù) 電量非電量 電渦流位移傳感器設計 一、總體設計方案 電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 根據(jù)下面的組成框圖，構(gòu)成傳感器。 根據(jù)組成框圖，具體說明各個組成部分

6、的材料： （1）敏感元件：傳感器探頭線圈是通過與被測導體之間的相互作用，從而產(chǎn)生被測信號的部分，它是由多股漆包銅線繞制的一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成，線圈框架的材料是聚四氟乙烯，其順耗小，電性能好，熱膨脹系數(shù)小。 （2）傳感元件: 前置器是一個用環(huán)氧樹脂灌封并帶有導線的裝置，測量電路完全裝在前置器中。 （3）測量電路：是由渦流傳感器構(gòu)成，將測量信息轉(zhuǎn)換為直流電量輸出。本電路采用西勒振蕩電路產(chǎn)生振蕩頻率，在經(jīng)過濾波產(chǎn)生直流電量。 二、電渦流傳感器的基本原理 2.1 電渦流傳感器工作原理 根據(jù)法拉第電磁感應定律，當傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H

7、1，它使置于此磁場中的被測金屬導體表面產(chǎn)生感應電流，即電渦流，如圖2-2中所示。與此同時，電渦流i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導致探頭線圈的等效電阻相應地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測金屬導體的電阻率ρ，磁導率μ，線圈與金屬導體的距離x，以及線圈激勵電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小。 電渦流傳感器的工作原理，如圖2-2所示： 2.2 電渦流傳感器等效電路分析 為了便于分析，把被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，這樣就可以得到如圖2-3所示

8、的等效電路。 圖中R1，L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其中R2，L2為被測導體的電阻和電感。探頭線圈和導體之間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距離的減小而增大。U1為激勵電壓，根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式，上圖等效電路的平衡方程式如下： 經(jīng)求解方程組，可得I1和I2表達式： 由此可得傳感器線圈的等效阻抗為: 從而得到探頭線圈等效電阻和電感。 通過式（2-4）的方程式可見：渦流的影響使得線圈阻抗的實部等效電阻增加，而虛部等效電感減小，從而使線圈阻抗發(fā)生了變化，這種變化稱為反射阻抗作用。所以電渦流傳感器的工作原理，實質(zhì)上是由于受到交變磁場影響的

9、導體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)線圈原來阻抗的作用。 因此，通過上述方程組的推導，可將探頭線圈的等效阻抗Z表示成如下一個簡單的函數(shù)關(guān)系： 其中，x為檢測距離；μ為被測體磁導率；ρ為被測體電阻率；f為線圈中激勵電流頻率。 所以，當改變該函數(shù)中某一個量，而固定其他量時，就可以通過測量等效阻抗Z的變化來確定該參數(shù)的變化。在目前的測量電路中，有通過測量ΔL或ΔZ等來測量x ,ρ,μ,f的變化的電路。 2.3 電渦流傳感器測量電路原理 電渦流傳感器常用的測量電路有電橋電路和諧振電路，阻抗Z的測量一般用電橋，電感L的測量電路一般用諧振電路，其中諧振電路又分為調(diào)頻式和調(diào)幅式電路。本設計采用渦流轉(zhuǎn)換器，其

10、工作原理是諧振式調(diào)幅電路。 渦流轉(zhuǎn)換器等效電路圖 圖1 從渦流轉(zhuǎn)換的等效電流圖可分析出線圈震蕩電流有渦流轉(zhuǎn)換器提供。是由其中的西勒振蕩電路提供震蕩電流。下圖為西勒振蕩電路。 西勒震蕩電路圖 圖2 西勒振蕩器是一種改進型的電容反饋振蕩器， 它是克拉波電路的改進電路。這種電路頻率穩(wěn)定性高。因為可通過C4改變振蕩頻率，且接入系數(shù)不受C4影響，所以在整個波段中振蕩 振幅比較平穩(wěn)。真兩點使西勒電路的頻率能在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。西勒振蕩電路的頻率為 。

11、 式中， 。其中，； 當及時，振蕩頻率為 , 與受輸入輸出電容（包括閑散電容）影響的與 無關(guān)，因此提高了振蕩頻率的穩(wěn)定性。 西勒振蕩電路的振蕩頻率可以通過改變來調(diào)整。因比克拉波電路取值大！故頻率覆蓋系數(shù)大，易調(diào)整，頻率穩(wěn)定度高，實際應用較多。 西勒振蕩等效電路圖 圖3 上圖為在實際應用中的西勒電路改進型，在實際應用中可用可調(diào)電感，而可調(diào)電容換成固定電容。在大多數(shù)電視機中大多采用西勒振蕩電路。此時的振蕩頻率為 。 由渦流轉(zhuǎn)換器電路圖

12、可知，西勒電路產(chǎn)生的電流從振蕩器輸出端輸出后，經(jīng)過上下兩部分濾波電路，濾去交流。剩下直流電流從轉(zhuǎn)換器的輸出端輸出。上部濾波電路為 LC濾波電路1 圖7 直流電由輸入端進入后經(jīng)由LC低通濾波器后由輸出端輸出直流分量。 下部LC濾波器在二極管之后如圖所示， LC濾波電路2 圖8 由于二極管有單向?qū)ㄐ?，因此有部分正弦波?jīng)由二極管，而形成半波正弦波。在通過下部LC低通濾波器濾去交流分量。從而輸出直流分量。 三、實驗數(shù)據(jù) 電渦流傳感器有

13、傳感器有兩種結(jié)構(gòu)類型，分別為透射式和反射式。即透射試驗和反射實驗 3.1 電渦流透射式 穿L2，這這種類型與反射式主要不同在于它采用低頻激勵，貫穿深度大，適用于測量金屬材料的厚度。下圖為其工作示意圖， 透射式電渦流傳感器工作原理圖 圖9 傳感器由發(fā)射線圈L1和接受線圈L2組成，它們分別位于被測金屬板的兩側(cè)。當?shù)皖l激勵電壓加到線圈L1兩端時，將在L2兩端產(chǎn)生感應電壓。若兩線圈之間無金屬導體，L1的磁場就能直接貫時電壓達到最大。當有金屬板后，其產(chǎn)生的渦流削弱了L1的磁場，造成電壓下降。金屬板厚度越大，渦流損耗的就越大，電壓也就越

14、小。因此可用電壓大小反應金屬般的厚度！而且對于不同材質(zhì)的特性不通所得的實驗現(xiàn)象也不相同。 當傳感器激勵頻率升高后其透射后的電壓增大了，但從低頻到高頻過程中再有無導體的情況下，電壓的下降幅度也不同！在高頻境況下電壓下降幅度明顯大于低頻是電壓下降到幅度！說明導體對渦流傳感器在高頻時吸收率更高，更有利于低頻是的磁場通過。 3.2 電渦流反射式 反射式中，變間隙是最常用的的一種結(jié)構(gòu)式。他的結(jié)構(gòu)簡單，由一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強度漆包銅線或銀線繞制（高溫時也采用鎢線），用粘合劑在框架端部或繞制在框架槽內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示， 電

15、渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖14 線圈框架應采用損耗小、電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料，常用高頻陶瓷、聚酰亞胺、環(huán)氧玻璃纖維等。由于激勵頻率較高，對所用的電纜與插頭也要充分重視。對于電渦流傳感器線圈外徑大，線性范圍也就大，但靈敏度低；反之線圈外徑小，靈敏度高，但線性范圍小。除此之外也有加入不加入鐵心之分加入鐵心可以感受較弱的磁場。對被測導體的大小和形狀也與靈敏度密切相關(guān)。而且除反射式外還有變面積式和螺管式兩種。 下面對變間隙式的電渦流傳感器進行試驗測量，并記錄數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)處理， 位移mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電壓v 0

16、 0 0.8 1.64 2.38 3.07 3.7 4.27 4.78 位移mm 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 電壓v 5.22 5.61 5.94 6.21 6.43 6.61 6.75 6.85 6.94 位移mm 9 10 11 12 13 14 15 16 電壓v 7.01 7.12 7.20 7.27 7.31 7.36 7.39 7.41 通過matlab擬合數(shù)據(jù)找出其最適合測量的線性區(qū)間。下圖為使用matlab擬合直線數(shù)據(jù)圖

17、 變間隙反射式試驗數(shù)據(jù)擬合圖 圖15 個人小結(jié) 在這幾天的課程設計中我學到了許多，既有有因無從下手和失敗而迷茫和沮喪，也有獲得成功后的沾沾自喜。而且發(fā)現(xiàn)自己的知識儲備實在太少。 在課程設計中每天不斷的查資料分析電路，要找出試驗電路和經(jīng)典電路之間的共性，還要通過變換把復雜的電路變換成熟知的基本電路，尤其是在西勒振蕩器的查找時，面對一個陌生的電路根本無從下手。還是老師指導我去圖書館查找信號發(fā)生電路的相關(guān)書籍。才找到了類似的電路，在經(jīng)過自己的認真分析，最終確定了它是西勒振蕩電路的衍生版本。課程設計真的不容易。對我的提高確實很大。 參考文

18、獻：【1】賈伯年 傳感器技術(shù) 東南大學出版社 2007 【2】林志琦 信號發(fā)生電路原理與實用設計 人民郵電出版社 2010 【3】Arthur B.Williams 著 寧彥卿 譯 電子濾波器設計 科學技術(shù)出版社 200 燕山大學課程設計評審意見表 指導教師評語： ①該生學習態(tài)度 （認真 較認真 不認真） ②該生遲到、早退現(xiàn)象 （有 無） ③該生依賴他人進行設計情況 （有 無） 平時成績： 指導教

19、師簽字： 年 月 日 圖面及其它成績： 答辯小組評語： ①設計巧妙，實現(xiàn)設計要求，并有所創(chuàng)新。 ②設計合理，實現(xiàn)設計要求。 ③實現(xiàn)了大部分設計要求。 ④沒有完成設計要求，或者只實現(xiàn)了一小部分的設計要求。 答辯成績： 組長簽字： 年 月 日 課程設計綜合成績： 答辯小組成員簽字： 年 月 日 18