基于STM32的电涡流测距传感器设计

2019年4月基于STM32的电涡流测距传感器设计

伍凯（安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖241000；合肥芯碁微电子装备有限公司，安徽合肥230000）

【摘要】电涡流式传感器是一款很经典的非接触式测量传感器。它具有灵敏度高，对使用环境抗干扰力强等优点，在很多行业都得到广泛的应用。本文介绍一种以STM32处理器为核心的电涡流传感器设计方案，可以将测量的数值直接显示出来，使得电涡流传感器更加数字化和智能化。

【关键词】电涡流传感器；STM32处理器；数字化；智能化

【中图分类号】TP212【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）04-0250-02

1引言

电涡流的物理现象由来已久,很早就已经有人对其进行研究。近代以来,随着电子技术的快速发展,对电涡流效应的应用也上了一大台阶,形成了一种新型的非接触式测量传感器,即电涡流式传感器,它能非接触、高性能的测量被测金属导体距探头表面的距离。近些年以来,电子技术的发展日新月异,各种各样的应用让人眼花缭乱,特别是出现了以微处理器为核心的结合了模数电路的一种新型的电涡流测量系统,使得传感器更加的数字化,方便了在实际中的使用。

本次设计的电涡流传感器包括信号发生模块,信号采集模块,STM32嵌入式处理器,人机交互模块等。用最小二乘算法拟合模数转换器输出的电信号与测量距离之间的函数关系,结合实验数据推导出多项式方程,并将该方程存储于STM32处理器中;软件部分通过KeiluVision4编程实现。

2电涡流测距传感器的工作原理

在给传感器测量系统通电后,传感器的前置器内会产生一个高频激励信号I1,该激励信号传递给探头的信号发射线圈后,会在探头的线圈附近产生一个交变磁场H1。在该线圈下方放置一个金属导体,根据法拉第电磁感应定律,产生的交变磁场H1会在该金属导体的表面产生一个感应电流I2,这种现象便称为电涡流现象,新产生的电涡流I2也会产生新的交变磁场H2,其方向与H1的方向相反。这种新产生的H2对交变磁场H1的反作用,会使得电涡流传感器线圈的高频电流的幅度和相位发生很大程度的改变。这种变化与金属导体的电导率σ、磁导率μ、激励电流频率f、线圈尺寸r、电流强度I以及线圈到金属导体的距离x有关。实际测量中,所有参数保持不变,每次只改变其中某一个参数,则可得到阻抗Z与该参数间的唯一对应函数关系,再使用对应公式计算出该参数,其表达式为:Z=F(μ,σ,x,r,I,f)。

3测距传感器函数关系的确立

3.1概述

主要是确立模数转换器输出的电信号与探头所测得的距离之间的函数关系的确立,通过理论推导与大量实验数据相结合拟合出所需的函数关系方程,再将确立的函数方程存储到单片机中。

3.2最小二乘法建模原理

最小二乘法是一种简便的数学算法。在数学中通过误差平方使误差达到最小值与寻找数学函数最佳的数据相匹配。我们可以通过最小二乘法的方法可以快速得到解得未知的数据与函数,并且使解得的数据结果与所求实际的数学函数数据结果两者之间的误差平方和达到函数最佳的值。

实际测量中,得到的一系列离散型数据(x1,y1),(x2, y2)......(x m,y m)建立这些离散数据的数学函数模型,确立离散数据的函数关系为y=f(x),其中y a为函数的输出值,x a为函数的被测值。从这些数据中可以找出n次多项式:

P(x)=h0+h1x+h2x2+…+h n x n(n

?(h0,h1,...,h n)=m

i=1

∑[px i-y i]2(2)

此即为最小二乘拟合多项式。

4电涡流测距传感器的总体设计方案4.1硬件设计

硬件系统框图如图1所示。

4.1.1STM32处理器的选取

本文选用意法半导体公司的STM32F103系列单片机, STM32的MCU融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低

电压于一身。

4.1.2信号发生模块

信号发生模块由信号源电路、幅度放大电路和功率放大电路。其中信号源电路用的是AD9833集成芯片,该芯片可以产生满足设计需要的正弦波信号;幅度放大电路采用AD8606集成芯片,由同相比例运算电路和反相比例运算电路组成;功率放大电路采用的是互补功率放大电路。

4.1.3信号采集模块

信号采集模块由仪表放大电路、整流电路、模数转换电路组成。其中仪表放大电路由AD6202放大器配合外围电路组成;整流电路由AD8606集成芯片配合外围电路组成;模数转换电路由TXB0106和MAX11636组成。

4.1.4人机交互模块

本设计使用RS232电路由MAX3232芯片结合外围电路组成,主要目的是:从串口发出命令经USB到RS232再到STM32,这样就可以读取之前所有测量后保存在FLASH里的数据,做到精准数据查询。

4.2软件

设计

图1系统硬件设计框图

论述250

(五) 电涡流传感器位移实验

（五） 电涡流传感器位移实验 一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗 与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、实验步骤： 1、根据图3－7安装电涡流传感器。 图3－7 电涡流传感器安装示意图 2、传感器结构，这是一个扁平绕线圈。 ３、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有Ｌ的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。 ４、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 ５、将实验模板输出端V 0与数显单元输入端Vi 相接。数显表量程切换开关选择电压20V 档。 ６、用连接导线从主控台接入＋15V 直流电源到模板上标有+15V 的插孔中。 ７、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm 读一个数，直到输 出几乎不变为止。将结果列入表3-4。 表3-4电涡流传感器位移X 与输出电压数据 8、根据表4-4数据，画出V-X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点，试计 算量程为 1mm 、3mm 及5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。 axis([10.5 18.5 0.66 7.9]); coords=[10.5:1:18.5,19.5;0.66,2.01,3.35,4.55,5.55,6.32,6.90,7.34,7.67,7.9]; grid; hold; plot(coords(1,:),coords(2,:),'*'); x=coords(1,:) y=coords(2,:)' 图3－8 电涡流传感器位移实验接线图

电涡流传感器的研究与探讨汇总

档案编号： 毕业设说明书题目：电涡流传感器的研究与探讨 系别：电气工程系 专业：生产过程自动化 班级： 姓名： 指导教师： （共18 页） 年月日

摘要：电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。由于它具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度高、非接触、响应速度快、不受油污等介质影响等优点，因而得到了广泛的应用。但目前的电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题，这给传感器的应用造成了一定的影响。 本文首先通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究和优化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。其次针对电涡流位移传感器存在的测量范围小，传感器存在非线性问题的改善提出设想即：先对电涡流位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响；再从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基础；最后通过对电涡流传感器测位移实验进行分析处理得出电涡流传感器位移测量范围的扩展方法和改善电涡流传感器非线性问题的方法。 关键词：电涡流传感器; 位移测量; 非线性; 测量范围 Abstract: the eddy current sensor is a new type of sensor based on eddy current effect. Because it is simple in structure, strong anti-jamming capability, high accuracy, non-contact, fast response, not polluted advantages such media influence, and been widely used. But the current electricity eddy displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem, the sensor to a sensor applications has caused some influence. This paper firstly eddy current sensor used in the laboratory experiment template circuit research and optimization, and improve the anti-interference ability of the circuit more accurate measurement results. Secondly according to the eddy current displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem of sensor to improve it puts forward the idea of the eddy current is: first displacement detection sensors for displacement of the working principles and applications, research analyzed the coil cross-section

电涡流传感器的典型应用

电涡流传感器的典型应用 电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。 轴向位移测量 对于许多旋转机械，包括蒸汽轮机、燃汽轮机、水轮机、离心式和轴流式压缩机、离心泵等，轴向位移是一个十分重要的信号，过大的轴向位移将会引起过大的机构损坏。轴向位移的测量，可以指示旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的位移变化，用以防止机器的破坏。轴向位移是指机器内部转子沿轴心方向，相对于止推轴承二者之间的间隙而言。有些机械故障，也可通过轴向位移的探测，进行判别： ●止推轴承的磨损与失效●平衡活塞的磨损与失效 ●止推法兰的松动●联轴节的锁住等。 轴向位移（轴向间隙）的测量，经常与轴向振动弄混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体，沿轴向之间距离的快速变动，这是一种轴的振动，用峰峰值表示。它与平均间隙无关。有些故障可以导致轴向振动。例如压缩机的踹振和不对中即是。 振动测量 测量径向振动，可以由它看到轴承的工作状态，还可以看到转子的不平衡，不对中等机械故障。可以提供对于下列关键或基础机械进行机械状态监测所需要的信息： ·工业透平，蒸汽/燃汽·压缩机，空气/特殊用途气体，径向/轴向 ·膨胀机·动力发电透平，蒸汽/燃汽/水利 ·电动马达·发电机 ·励磁机·齿轮箱 ·泵·风扇 ·鼓风机·往复式机械 振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。可为如下各种机械故障的早期判别提供了重要信息。 ·轴的同步振动·油膜失稳 ·转子摩擦·部件松动 ·轴承套筒松动·压缩机踹振 ·滚动部件轴承失效·径向预载，内部/外部包括不对中 ·轴承巴氏合金磨损·轴承间隙过大，径向/轴向 ·平衡（阻气）活塞磨损/失效·联轴器“锁死” ·轴弯曲·轴裂纹 ·电动马达空气间隙不匀·齿轮咬合问题 ·透平叶片通道共振·叶轮通过现象 偏心测量 偏心是在低转速的情况下，对轴弯曲程度的测量，这种弯曲可由下列情况引起： ·原有的机械弯曲·临时温升导致的弯曲·在静止状态下，必然有些向下弯曲，有时也叫重力弯曲。

传感器实验报告 (2)

传感器实验报告（二） 自动化1204班蔡华轩 U201113712 吴昊 U201214545 实验七： 一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理：利用平板电容C=εA/d 和其它结构的关系式通过相应的结 构和测量电路可以选择ε、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而 只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。 三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏 检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。 四、实验步骤： 1、按图6-4 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图7-1。图 7-1 电容传感器位移实验接线图 3、将电容传感器实验模板的输出端V01 与数显表单元Vi 相接(插入主控 箱Vi 孔)，Rw 调节到中间位置。 4、接入±15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm 图（7-1） 五、思考题： 试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构，并叙述一 下在此设计中应考虑哪些因素？ 答：原理：通过湿度对介电常数的影响从而影响电容的大小通过电压表现出来，建立起电压变化与湿度的关系从而起到湿度传感器的作用；结构：与电容传感器的结构答大体相同不同之处在于电容面板的面积应适当增大使测量灵敏度更好；设计时应考虑的因素还应包括测量误差，温度对测量的影响等

六：实验数据处理 由excle处理后得图线可知：系统灵敏度S=58.179 非线性误差δf=21.053/353=6.1% 实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。 它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。 根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中 运动时，它就可以进行位移测量。图8-1 霍尔效应原理 三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4V、± 15Ｖ、测微头、数显单元。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器按图8-2 安装。霍尔传感器与实验模板的连接 按图8-3 进行。1、3 为电源±4Ｖ，2、4 为输出。图8-2 霍尔 传感器安装示意图 2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW2 使数显表指示为零。

电涡流传感器的设计

引言 电涡流传感器具有灵敏度高、分辨力高、线性度高、重复性好、结构简单、抗干扰能力强、线性测量范围宽、安装方便、非接触测量、耐高温、能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作的特点以及能够实现信息的远距离传输、记录、显示和控制的优势，被广泛应用于工业生产和科学研究等领域的位移、振动、偏心、胀差、厚度、转速等物理量的在线检测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性。因而对于电涡流传感器的研究有着深远的理论和实践意义。 目前，对电涡流传感器的研究，主要集中在电磁学模型机理的研究、线圈几何形状的优化设计、测量精度的提高、非线性的线性化和应用范围的拓展等方面。本文提出了一种新型的电涡流传感器设计方案，具有速度快、功耗低、稳定性好等诸多优点，并已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等领域，取得了非常好的效果，得到了用户的一致好评。 1 电涡流传感器的基本工作原理[1-2] 电涡流传感器的基本工作原理是基于电涡流效应。根据法拉第电磁感应定律可知：金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属导体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应，电涡流传感器就是利用电涡流效应来检测导电物体的各种物理参数的。如图1所示。 理论和实践均证明:电涡流的大小与导体的磁导率ξ、电导率σ、线圈与导体之间的距离D 、激励电流强度I 、激励电流角频率ω、线圈尺寸因子等参数有关。探头线圈的阻抗Z 是上述参数的函数，即Z =F (,ξ, σ, D , I,ω) 。 很显然，如果只改变其中的某一参数，其他参数恒定，阻抗就成为该参数的单值函数。假设被测金属导体材质均匀，且具有线性和各向同性的性能特点，我们可以控制,ξ, σ, I ,ω这几个参数在一定范围内不变，则阻抗就成为距离的单值 函数，再通过前置器电子线路的处理，将探头线圈阻抗的变化，即探头线圈与金属导体之间的距离的变化转化为电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的距离而变化，电涡流传感器正是基于这样的原理实现对位移、振动、胀差、偏心等的测量。 图1 电涡流传感器的工作原理 2 电涡流传感器电路设计 2.1 测量电路的选择[3-5] 电涡流传感器的测量电路可分为调频式和调幅式两种，调幅式测量电路又可细分为恒定频率的调幅式和频率变化的调幅式两种。 调幅式测量电路是指以输出高频信号的幅度来反映电涡流传感器探头与被测金属导体之间的关系。其特点是:输出可以被调理为直流电压，而对直流电压进行数据采集的速度快、时间短、可以降低功耗。 调频式测量电路是指将探头线圈的电感量与微调电容构成振荡器，以振荡器的频率作为输出量的一种转换电路。其优点是：电路结构简单，抗干扰能力强，性能较稳定，分辨率和精度高，易与计算机连接，频率输出便于数据采集和处理，成本较低。 在本设计中我们采用调幅式电路。2.2 滤波、稳压、同相比例放大电路的设计 该部分电路的作用是消除直流电源中的交流成分以及电源电压的波动所造成的影响。如图2所示。 2.3 振荡电路的设计[6] 电感三点式振荡电路：由于反馈支路是电感，振荡器的输出波形中含有较多的高次谐波，且振荡频率不高，对本设计不适用，故不予采用。 电容三点式振荡电路：由于输出端和反馈支路均为电容，对高次谐波电抗小，反馈电压中高次谐波分量很少，振荡频率稳定度高，因而输出波形好，更接近正弦 波。振荡频率可以较高。符合本设计的要求，故采用。如图3所示。 图3 电容三点式振荡电路 在本设计中，为了保证振荡电路输出信号的稳定和可靠，我们采取了如下措施： 针对电源电压的变化，在电源端添加了稳压环节；针对负载变化，在振荡电路与负载之间插入了缓冲电路以屏蔽负载的影响；针对环境温度变化，采用了温度系数较小的元件，例如云母电容等；针对外界磁场会引起磁性材料磁导率的变化，影响传感器线圈的涡流效应，将振荡器密封在传感器壳体内，起到屏蔽作用，可减少回路与外界发生的电磁耦合。 2.4 检波、滤波电路的设计 检波、滤波电路将电容三点式振荡器的输出信号，经过检波、滤波，将其转换为直流信号。通过对电路的优化设计，对元器件一致性的筛选以及电阻、电容参数的合理选配，使得该电路既能保证独立线性指标的要求，又能满足对动态响应时间指标的要求，同时还要尽可能降低直流信号输出的交流噪声。检波、滤波电路如图4所示。 2.5 对数运算电路的设计[7] 电涡流传感器的设计 伍艮常 株洲职业技术学院，湖南株洲　４１２００１ DOI ：10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.076 图2 滤波、稳压、同相比例放大电路

(整理)4第四章传感器的使用.

第四章传感器使用基础 1、振动传感器 现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接触式传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有频响特性，其决定了各自的工作范围。如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时，测量得到的读数会产生较大的偏差。下表列出了振动测量中常用的一些传感器的性能和适用范围及优、缺点等。 表1—1 常用的振动传感器及其性能和适应范围 1.1、振动传感器的构成及工作原理 振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置。

传感器至少有 机械量的接收和 机电量的转换二 个单元构成。机械 接收单元感受机 械振动，但只接收 位移、速度、加速 度中的一个量；机 电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量，如电荷、电动势、电阻、电感、电容等；另外，还配有检测放大电路或放大器，将模拟电气量转换、放大为后续分析仪器所需要的电压信号，振动监测中的所有振动信息均来自于此电压信号。 1.2、振动传感器的类型 振动传感器的种类很多，且有不同的分类方法。按工作原理的不同，可分为电涡流式、磁电式（电动式）、压电式；按参考坐标的不同，可分为相对式与绝对式（惯性式）；按是否与被测物体接触，可分为接触式与非接触式；按测量的振动参数的不同，可分为位移、速度、加速度传感器；以及由电涡流式传感器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器，等等。 在现场实际振动检测中，常用的传感器有磁电式速度传感器（其中又以绝对式应用较多）、压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器。其中，加速度传感器应用最广，而大型旋转机械转子振动的测量几乎都是涡流式传感器。 2．电动力式振动速度传感器的工作原理 固定在壳体内部的永久磁铁，随着外壳与振动物体一起振动，同时，由于内部由弹簧固

电涡流位移传感器的基本知识

电涡流位移传感器的工作原理： 电涡流传感器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距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 在高速旋转机械和往复式运动机 械状态分析，振动研究、分析测 量中，对非接触的高精度振动、 位移信号，能连续准确地采集到 转子振动状态的多种参数。如轴 的径向振动、振幅以及轴向位置。 电涡流传感器以其长期工作可靠 性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

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。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，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

电涡流传感器位移实验

实验二十电涡流传感器位移实验 一、实验目的 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、实验内容 用铁圆片检测电涡流传感器的位移特性。 三、实验仪器 电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、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。 五、实验注意事项 被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。 六、实验步骤 1、根据图20－1安装电涡流传感器。 2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。 3、将涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

图20－1 电涡流传感器安装示意图 图8－2 电涡流传感器位移实验接线图 4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vin相接。数显表量程切换到选择电压20V 档。 6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。 7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控台电源开关，此时数显表读数为最小，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表。（实验结论：1、本实验每隔0.1mm是相对位置，起始值看做0.1mm即可，无需从测微头上读绝对位置。每旋转0.1mm，输出的电压的增量应该大致相等。2、由于学生做实验可能不能正确的找到起始点， 导致采集的数据不在线性范围内，从而影响数据采集的线性度，可以让学生从选取的起始

位移电涡流传感器测量电路设计)

成绩评定：_______ 传感器技术 课程设计 题目位移电涡流传感器测量电路设计

电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点, 广泛应用于对金属的位移检测中。为扩大电涡流传感器的测量范围, 采用恒频调幅式测量电路, 引用指数运算电路作为非线性补偿环节。利用Matlab计算软件辅助设计了直径为60mn电涡流传感器探头,并结合测量电路进行实验。实验结果表明最大测量范围接近90mm验证了该系统工作的稳定性，证明设计达到了预期效果。关键词: 电涡流传感器; 测量电路;大位移; 线性化

一、设计目的-------------------- 1 二、设计任务与要求- --------------------- 1 2.1 设计任务 ---------------------- 1 2.2 设计要求 ---------------------- 1 三、设计步骤及原理分析--------------- 1 3.1 设计方法----------------------- 1 3.2 设计步骤 ---------------------- 2 3.3 设计原理分析 -------------------- 6 四、课程设计小结与体会--------------- 6 五、参考文献- ------------------------- 6

一、设计目的 1. 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 2. 了解电涡流传感器的前景及用途 二、设计任务与要求 2.1设计任务 扩大电涡流传感器的测量范围，采用恒频调幅式测量电路，引用指数运算电路作为非线性补偿环节。验证了该系统工作的稳定性，证明设计达到了预期效果。 2.2设计要求 1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好； 2. 设计传感器应用电路并画出电路图； 3. 应用范围：测量物体的位移。 三、设计步骤及原理分析 3.1设计方法 电涡流传感器具有体积小、非接触、对介质不敏感的特点，被广泛应用于对金属位移等的测量中。尽管用电涡流传感器非接触测量位移已经得到广泛的应用但是测量位移的线性范围受到传感器线圈直径的限制，位移测量范围为线圈直径的1/3~1/5,大直径的传感器，其测量范围最大可以接近到直径的1/2。在许多领域希望能进一步扩大传感器的测量范围，以满足大位移的非接触测量。文中采用指数运算电路作为非线性补偿环节来改善传感器原有的传输特性，扩大传感器测量范围。 由电磁感应定律可知：闭合金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生闭合的感应电涡流，阻碍磁通量的变化。如图1所示,传感线圈由交流信号激励在产生焦耳热的同时，又要产生磁滞损耗，它们造成交变磁场能量的损失，进而使传感器的等效阻抗Z发生变化。 影响阻抗Z的因素有被测导体的电导率、磁导率、线圈的激励频率f及传感器与被测导体间的位移x等,只要保证这些影响因素只有位移x变化,其他都保持不变,则传感器

检测技术第4章部分练习答案

第四章电涡流传感器思考题与习题答案 1. 单项选择题 1）欲测量镀层厚度，电涡流线圈的激励源频率约为___D___。而用于测量小位移的螺线管式自感传感器以及差动变压器线圈的激励源频率通常约为___B___。 A. 50~100Hz B. 1~10kHz C.10~50kHz D. 50kHz~1MHz 2）可以利用电涡流接近开关原理检测出___C___的靠近程度。 A. 人体 B. 水 C. 黑色金属零件 D. 塑料零件 3）电涡流探头的外壳用___B___制作。 A.不锈钢 B.塑料 C.黄铜 D.玻璃 4）当电涡流线圈靠近非磁性导体（铜）板材后，线圈的等效电感L___C___，调频转换电路的输出频率f___B___。 A. 不变 B. 增大 C. 减小 5）欲探测埋藏在地下的金银财宝，应选择直径为___D___左右的电涡流探头。欲测量油管表面和细小裂纹，应选择直径为___B___左右的探头。 A. 0.1mm B. 5mm C. 50mm D. 500mm 6）用下图的电涡流方法测量齿数Z=60的齿轮的转速，测得f=400Hz，则该齿轮的转速n等于___A___r/min。 A. 400 B. 3600 C. 24000 D. 60 两种测量转速的方法 a）电感b）磁电式（电磁感应式） 1－被测旋转体（钢质齿轮）2－导磁铁心3－绕组4－永久磁铁5－汽车发动机曲轴转子 z－齿数T－传感器输出脉冲的周期 2. 用一电涡流式测振仪测量某机器主轴的轴向窜动，已知传感器的灵敏度为25mV/mm。最大线性范围（优于2.5%）为5mm。现将传感器安装在主轴的右侧，如图a 所示。使用计算机记录仪记录下的振动波形如图b所示。问： 电涡流式测振仪测量示意图 1）轴向振动a m sin t的振幅a m为____A____。 A. 1.6mm B. 3.2mm C. 8.0mm D. 4.0mm 2）主轴振动的基频f是____A____Hz。

电涡流传感器

电涡流传感器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）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 一、电涡流传感器的基本原理 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 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。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，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。 其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值

电涡流传感器测量振动实验报告

实验二十一 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验 一、实验目的： 了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。 二、基本原理： 电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。 三、需用器件与单元： 直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同面积的铝被测体、数显单元。 四、实验步骤： 1．按图2-1安装电涡流传感器。 图2-1传感器安装示意图 2．在测微头端部装上铝质金属（小圆盘与小圆柱体），作为电涡

流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。 图2-2 电涡流传感器接线示意图 3．传感器连接按图2-2，实验模块输出端Uo与直流电压表输入端U i相接。直流电压表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用2号导线从实验台上接入+15V电源。 4．合上实验台上电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.1mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表2-1。

（1）由上图可得系统灵敏度：S=ΔV/ΔW=3.1977V/mm （2）由上图可得非线性误差： 当x=1mm时: Y=3.1977×1+2.4036=5.6013V Δm=Y-5.70=-0.0987V yFS=10.69V δf=Δm/yFS×100%=0.923% 当x=3mm时: Y=3.1977×3+2.4036=12.00V Δm=Y-11.2=0.8V yFS=10.69V δf=Δm/yFS×100%=7.48% 表2-3 铝质被测体（圆柱体）

电涡流位移传感器的原理及其静态标定方法

电涡流位移传感器的原理及其静态标定方法电涡流是20世纪70年代以后发展较快的一种新型传感器，它广泛的应用在位移震动检测、金属材质鉴别，无损探伤等技术领域。 实验目的： 了解电涡流位移传感器的结构和工作原理。 了解电涡流位移传感器的静态标定方法。 实验原理 结构：变间隙式是最常用的一种电涡流传感器形式，它的结构很简单，由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕成，用粘结剂粘在框架端部或是绕指在框架槽内。线圈框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用高频陶瓷、聚四氟乙烯等。由于激励频率较高，对所用的电缆和插头也要充分重视，一般使用专用的高频电缆和插头。 工作原理：在传感器线圈中通以高频电流，则在线圈中产生高频交变磁场。当到点被测金属板接近线圈，并置于线圈的磁场范围内，交变磁场在金属板的表面层内产生感应电流，即电涡流。电涡流又产生一个反向的磁场，减弱了线圈的原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化，这些参数的变化与导体的几何形状、电导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈与被测导体间的距离有关。如果控制上述参数的变化，在其他条件不变的情况下，仅是线圈与金属板之间距离的单值函数，从而达到测量位移间隙的目的。 测量电路 当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙呈近似线性关系。由于输出电压的频率始终恒定，因此称为定频幅式。这种电路采用适应晶体振荡器，旨在获得高稳定度频率的高频激励信号，以保证

稳定的输出。 实验仪器与材料 电涡流位移传感器静态标定系统 Hz-8500探头前置器 8511型电涡流探头 电涡流传感器测量装置 高精度数字万用表。 实验内容： 实验一：被测金属板采用铝质板，测量U-x 关系曲线。 实验二：被测金属板仍采用铝质板，但直径较小，测量U-x 关系曲线。 实验三：被测金属板采用铁板，测量U-x 关系曲线。 5、实验数据： 实验一数据： 6、实验要求： 1、画出（实验一）中的U-x 关系曲线，确定传感器的线性工作范围计算传感器的灵敏度。答：线性工作范围：由画出的U-X关系曲线可以看出其线性工作范围在0~13 灵敏度：(15.4-1.78)/13=1.048

位移电涡流传感器测量电路设计-)

位移电涡流传感器测量电路设计-)

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成绩评定： 传感器技术 课程设计 题目位移电涡流传感器测量电路设计

摘要 电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点,广泛应用于对金属的位移检测中。为扩大电涡流传感器的测量范围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电路作为非线性补偿环节。利用Matlab计算软件辅助设计了直径为60mm电涡流传感器探头,并结合测量电路进行实验。实验结果表明最大测量范围接近90mm,验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。关键词:电涡流传感器;测量电路;大位移;线性化

目录 一、设计目的------------------------- 1 二、设计任务与要求--------------------- 1 2.1设计任务 ----------------------- 1 2.2设计要求 ----------------------- 1 三、设计步骤及原理分析 ----------------- 1 3.1设计方法 ----------------------- 1 3.2设计步骤 ----------------------- 2 3.3设计原理分析 -------------------- 6 四、课程设计小结与体会 ----------------- 6 五、参考文献-------------------------- 6

一、设计目的 1.了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 2.了解电涡流传感器的前景及用途 二、设计任务与要求 2.1设计任务 扩大电涡流传感器的测量范围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电 路作为非线性补偿环节。验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。 2.2设计要求 1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好； 2. 设计传感器应用电路并画出电路图; 3. 应用范围：测量物体的位移。 三、设计步骤及原理分析 3.1设计方法 电涡流传感器具有体积小、非接触、对介质不敏感的特点,被广泛应用于对金属位移等的测量中。尽管用电涡流传感器非接触测量位移已经得到广泛的应用,但是测量位移的线性范围受到传感器线圈直径的限制,位移测量范围为线圈直径的1/3~1/5,大直径的传感器,其测量范围最大可以接近到直径的1/2。在许多领域希望能进一步扩大传感器的测量范围,以满足大位移的非接触测量。文中采用指数运算电路作为非线性补偿环节来改善传感器原有的传输特性,扩大传感器测量范围。 由电磁感应定律可知:闭合金属导体中的磁通发生变化时,就会在导体中产生闭合的感应电涡流,阻碍磁通量的变化。如图1所示,传感线圈由交流信号激励,在产生焦耳热的同时,又要产生磁滞损耗,它们造成交变磁场能量的损失,进而使传感器的等效阻抗Z发生变化。 影响阻抗Z的因素有被测导体的电导率、磁导率、线圈的激励频率f及传感器与被测导体间的位移x等,只要保证这些影响因素只有位移x变化,其他都保持

电涡流传感器的转速测量

电涡流传感器的转速测量在生产生活中有很多有旋转功能的仪器，我们都需要对它们的转速进行不间断的测量，这样才能确保这个仪器能够更好的进行工作，这都需要电涡流传感器的协助，下面中国传感器交易网的专家来给大家介绍一下电涡流传感器是如何进行转速测量的。 对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。旋转测量通常有以下几种传感器可选：电涡流转速传感器、无源磁电转速传感器、有源磁电转速传感器等。 具体需要选择那类传感器，则要根据转速测量的要求转速等，转速发生装置有以下几种：用标准的渐开的线齿数（M1～M5）作转速发生信号，在转轴上开一键槽、在转轴在转轴上开孔眼、在轴转上凸键等转速发生信号装置。 无源磁电式传感器是针对测齿轮而设计的发电型传感器（无源），不适合测零转速和较低转速，因低频时，幅值信号小，抗干扰能力差，它不需要供电。 有源磁电式传感器采用了电源供电，输出波形为矩形波，具有负载驱动能力，适合测量0.03HZ以上转速信号。 而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。对于被测体转轴的转速发

生装置要求也很低，被测体齿轮数可以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。 电涡流传感器测转速，通常选用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探头。转速测量频响为0～10KHZ。电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内）抗干扰能力强。作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。 一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在–20℃～100℃的环境下，带前置器放大器的电涡流传感器适合在–50℃～250℃的工作环境中。 以上就是电涡流传感器的转速测量的简单介绍，不知道大家周围是否有需要测量转速的仪器呢？如果有的话可以进行观察这个测量过程。

电涡流传感器的位移特性实验报告完整版

电涡流传感器的位移特 性实验报告 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】

实验十九电涡流传感器的位移特性实验 一、实验目的 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、实验仪器 电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表 三、实验原理 通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 四、实验内容与步骤 1．按图2-1安装电涡流传感器。 图2-1传感器安装示意图 2．在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。 图2-2 电涡流传感器接线示意图 3．传感器连接按图2-2，实验模块输出端Uo与直流电压表输入端U 相 i 接。直流电压表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用2号导线从实验台上接入+15V电源。 4．合上实验台上电源开关，记下数显表读数，然后每隔读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表2-1。 5.根据上表数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点），试计算测量范围为1mm与 3mm时的灵敏度和线性度 （1）由上图可得系统灵敏度：S=ΔV/ΔW=mm （2）由上图可得非线性误差： 当x=1mm时: Y=×=

Δm?== yFS= δf=Δm/yFS×100%=% 当x=3mm时: Y=×= Δm?== yFS= δf=Δm/yFS×100%=% 五、思考题 1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器 答：量程与线性度、灵敏度、初始值均有关系。如果需要测量±5mm的量程应使传感器在这个范围内线性度最好，灵敏度最高，这样才能保证的准确度。 2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据使用量程选用传感器答：根据需要测量距离的大小，一般距离较大要求量程较大，且灵敏度要求不会太高，而且量程有正负；相反需要测量的距离较小，则对灵敏度要求较高，量程不需要太大，这样既能满足要求，同时又保证了测量的精确度。 实验二十被测体材质对电涡流传感器特性影响 一、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。 二、实验原理 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。在实际应用中，由于被测体的材料、形状和大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。 三、实验仪器 除与实验十九相同外，另加铜和铝的被测体圆盘 四、实验内容与步骤 与实验十九相同 将铁质金属圆盘分别换成铜质金属圆盘和铝质金属圆盘。将实验数据分别记入下面表2-2、2-3。

电涡流位移传感器设计完整版本

课 程设计报告与说明书 《电涡流位移传感器》 课程设计 学生姓名：_________ ___________ 学号：____________ 入学时间： 14 年秋季 专业：___机械设计制造及其自动化___ 直属/分校：__________直属____________ 指导教师：______ 解晓光__________ 大连广播电视大学 2014年12月

设计题目：电涡流位移传感器课程设计 一、设计要求 1、量程：：0～20mm 2、精度：1mm 3、激励频率：1M Hz 4、输入电压：24V 5、介质温度: -50℃～250℃ 6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm 7、线性误差：＜±2% 8、工作温度：探头（-20～120）℃，延长电缆（-20～120）℃，前置器（-30～50）℃ 9、频率响应：0～5KHz 二、总体设计方案 电涡流传感器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）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。根据下面的组成框图，构成传感器。 根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料： （1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。 （2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。 （3）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。 三．电涡流传感器的基本原理 3.1 电涡流传感器工作原理 根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而