任务书
课程传感器课程设计
题目电涡流传感器应用电路设计
专业姓名学号
主要内容：
利用电磁感应的原理,以高频反射式电涡流传感器为基础,将LC电路产生的正弦电磁波辐射至铜膜。在铜膜上产生电涡流,从而引起辐射线圈电阻抗的变化,损耗增加,振荡号幅值随之衰落。通过单片机对信号幅值进A/D转换,数据处理,指示铜膜的厚度。
基本要求：
1、利用声电涡流传感器、单片机等设计一种厚度测量电路。
2、电路中要有相应的显示测量结果、整流、放大等单元电路。
2、按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较。
3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。
参考文献:
[1] 高晓蓉.传感器技术[M].成都：西南交通大学出版社，2003.
[2] 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用[M].北京：电子科技大学出版社，2004.
[3] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4] 李成华.现代检测技术[M].北京：中国农业大学出版社，2001.
完成期限2013.7.12—2013.7.16
指导教师
专业负责人
2013年7 月12 日
摘要
设计针对于PCB板的铜膜厚度进行测量。利用电磁感应的原理,以高频反射式电涡流传感器为基础,将LC电路产生的正弦电磁波辐射至铜膜。在铜膜上产生电涡流, 在交变磁场中，不同厚度金属导体内的涡流对传感器探头内线圈具有不同程度的阻抗反射作用，从而引起辐射线圈电阻抗的变化,损耗增加,振荡号幅值随之衰落。通过单片机对信号幅值进行A/D转换,数据处理,指示铜膜的厚度。所设计的装置体积小,携带方便,对铜膜检测的灵敏度较高,可以有效测量10～150μm的厚度,也可应用于其他金属镀层厚度的测量。
关键词：电涡流；铜膜厚度；幅度；电磁感应
目录
一、设计要求 (1)
二、设计方案及其特点 (1)
1、方案一 (1)
2、方案二 (2)
三、传感器工作原理 (2)
1、电涡流传感器工作原理 (2)
2、电涡流传感器等效电路 (2)
四、铜膜测厚电路图及其工作原理 (4)
1、电路图 (4)
2、电路工作原理 (5)
五、铜膜测厚电路的单元电路设计、参数计算、器件选择 (5)
1、单元电路设计 (5)
2、参数计算 (6)
3、元器件清单 (7)
六、总结 (8)
参考文献 (9)
铜膜测厚电路设计
一、设计要求
敷铜板作为电子行业的基本材料,其敷铜厚度对某些电子产品的质量有重要影响。而目前生产厂家所生产的敷铜板的铜膜厚度相差较大,有的为了省成本,铜膜厚度越来越薄,严重影响了相应电子产品的可靠性。敷铜板上铜膜厚度的测量一般不能使用卡尺类测量工具,因镀层厚度很薄,也不能采用超声波测量。对这类金属镀层厚度进行测量,常常采用电涡流测量模式。
二、设计方案及其特点
针对传统的接触式测量技术在实际应用中的不足，介绍电涡流传感器的设计方案。该方案采用电涡流技术将非电量的位移信息转化为电压信号。通过对电涡流传感器的结构和工作原理的分析，设计了两种典型电涡流传感器的测量电路。
1、方案说明
方案一：采用电桥法测量。其原理框图如图1所示。振荡器产生的高频振荡电流经过功率放大器放大后送给交流电桥，当材料表面有膜是时，将使线圈阻抗变化，从而破坏电桥平衡，电桥不平衡电压信号输出，经过放大、检波以后，其输出信号就反映了被测量的变化。
图1 方案一原理框图
方案二：探头接近被测材料，将使线圈的电感值发生变化，直接检测电感变化的方法为电感测试法或调频测试法。其原理框图如图2所示。将传感线圈接入振荡回路，当位移变化时，传感线圈的L值相应的也发生变化，从而引起振荡器振荡频
率的变化，通过F/V转换器进行解，将频率的变化转换为电压的变化。但由于频率与位移之间的非线性关系，还需加线性化器矫正其非线性特性。
图2 方案二原理框图
2、方案论证
这两种测量电路中，从灵敏度来看，调频调幅式比其它两种要高些；从测量线性范围来看，方案一强于方案二，但方案二结构最简单，便于遥测、数字显示和与单片机接口连接。所以一般地说，需要稳定性好可选用方案一测量电路，若考虑便于与单片机接口连接，那么方案二测量电路就由其方便之处。因此本设计中选用方案二。
三、传感器工作原理
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3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，从而确定该参数的大小。电涡流传感器的工作原理，如图3所示。
2、电涡流传感器等效电路
为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图4所示的等效电路。
本设计用高频反射式涡流传感方式,线圈中通有正弦交变电流,周围产生交变磁场,位于该磁场中的铜膜就会感应出电涡流,此电流又产生新的交变磁场影响原有磁力线分布,辐射线圈与被测导体构成互感结构,使LC 回路的等效阻抗发生变化,如图4 所示。线圈受电涡流影响时的等效阻抗为：
])
()([])()([22
2222
212222222L L R L L j L R L R Z ωωωωωω+-+++= (1) 式中: ω——高频交流辐射信号的角频率；
R1
——是辐射线圈的原有等效阻抗；
金属导体
线圈
R2——是被测铜膜产生电涡流时的等效阻抗,与被测体的金属种类及厚度有关；
M——是互感系数,与被测体的间隔距离有关；
L1——是辐射线圈的电感量；
L2——是电流的等效电感量。
等效阻抗Z的实部体现为振荡线圈的损耗,当铜膜厚度不同时,R2不等,所以引起Z的变化，造成振荡强度的改变,LC振荡电路的幅值U0相应地变化，如图4所示。在无被测导体靠近时,LC并联谐振回路的阻抗最大,振荡电压值U0最大；当传感器接近被测铜膜时,振荡损耗加重，振荡电压U0相应地减小。控制放大电路的参数,在一定范围内,LC谐振回路的输出电压U0与铜膜厚度有近似的线性关系,由此可对铜膜进行测厚。在实际操作中发现，当传感器的频率一定时,铜膜的厚度越小,幅值U0减小得越多。
四、铜膜测厚电路图及其工作原理
1、电路图
铜膜测厚电路图如图5所示。
图5电涡流传感器测铜膜厚度电路图
2、电路工作原理
正弦信号峰值整流电路线圈4，5端的输出信号电压Vo峰值稳定在2V左右，送至LM393的3端。这样，经过负反馈电路，电容C9的电压可以逐步将近4V，LM393第2端电压值接近2V。每当振荡器送来的信号达到正峰值时，LM393输出高电平，通过R6给电容C9充电。之后，C转为放电过程,但放电速度很慢，C9上电压基本保持不变。这样就实现了无损峰值整流。把正弦波信号的峰值电压取出，送至单片机进行处理,经过A/ D转换后，就可直接显示铜膜的厚度。
五、铜膜测厚电路的单元电路设计、参数计算、器件选择
1、单元电路设计
为了提高测量灵敏度，本装置中用变压器反馈式LC振荡电路来产生正弦波电流,通过振荡线圈把电磁波直接辐射出去。振荡电路结构如图6所示。图6中线圈L12和电容C1，C4组成并联谐振回路，它们与三极管等电路构成选频放大器。线圈L12和L34组成变压器电路，L12为一次侧线圈，L34为提供正反馈，使电路形成振荡。R1 ，R8决定三极管的静态工作电流，C5为正反馈耦合电容。
图6 稳幅正弦波产生电路图
在L C 正弦波振荡电路中，适当处理变压器绕组的同名端关系，如图6中“3”号,满足相位平衡条件。其中第2脚和第4脚为同名端，在绕制线圈时要正确连接。振幅稳定由自动衰减网络R2 ，R9 ，Q2 ，D1 ，C7 等进行自动控制来实现。场效应管Q2工作在可变电阻区。其中场效应管2N7000 的导通电压约为1.2 V ，二极管1N4148的导通电压约为0.6V 。若振荡输出电压峰值达到1.8 V ，场效应管Q2导通,振荡电路的反馈系数减小，由此对振荡信号电压进行限制。电容C7起到记忆作用，在一定时间内能记住未测量时的振幅。振荡信号频率由C1，C4及变压器T1的初级等效电感L1共同决定。振荡信号电压由变压器4，5端间输出，送后部电压放大等电路进行放大、整流、指示。图7所示电路是正弦振荡信号电压峰值整流电路。
图7 稳幅正弦波产生电路图
2、参数计算
基于铜膜等效电阻R2的损耗进行测量，属于能耗测量方式，应该充分体现不同厚度的等效电阻值R2大小的区别。也就是用电磁辐射方式对铜膜厚度进行测量,必须将电磁波有效射入铜膜内部。而金属铜是良导体，存在集肤效应，高频电磁场不能透过较厚的铜膜，仅作用于表面的薄层。电磁波的穿透深度有限，形成电涡流的深度也就有限。电磁场频率越高,集肤效应越显著，即形成电涡流的深度越小。其有效穿透深度计算式为：
f
u h r ρ
5030
= (2)
式中：ρ——为导体电阻率，单位：Ω ·cm ；
μr ——为导体相对磁导率；
f ——为交变磁场频率。
在常温下，对于铜来说
ρ(3)
Ω
=-
?
?
)
7.16cm
(
10
μr = 0.9999，而一般PCB板的铜膜厚度约为10～200μm。以200μm代入公式(2)，可计算得
K H z
f107
=(4)
由公式(4)得出的频率可知，对于本项目中要检测的是PCB板铜膜,应采用高频反射方式。当测量厚度大的铜膜时，需要贯穿深度大，用低频f 激励，其线性度较好；当测量薄的铜膜时，贯穿深度h小，则选取高频f 激励，但此时的线性范围随频率的变大而变小。
3、元器件清单
表1元器件清单
六、总结
电涡流传感器可实现非接触测厚，且结构简单、灵敏度高、适用性强。测量过程中，正弦波频率的大小与传感器的线性范围成正比，与灵敏度成反比。
对于同一种金属测厚，要根据不同的厚度来选择频率；对于厚度大小相似的不同金属测厚，也要根据金属的电阻率、相对磁导率等参数来选择不同频率。
对于电涡流高频反射式测量,铜膜厚度小时，电涡流产生的磁场对传感器线圈中原磁场的影响较厚铜膜的大，即LC振荡器的幅值变小的多，这与透射式测量中厚度越大，幅值变化的多不同。对于不同的铜膜厚度，正弦波信号的电压幅值不是线性地对应变化，而是在一定范围内为线性关系。在本装置中，若要改变LC振荡电路的谐振频率，可根据计算出的L值，使用不同容量的电容，改变电磁波信号的测厚范围。在计算线圈的L值时，应包括电路中的等效电感与电容。
这次传感器电路课程设计用了一个星期左右的时间。我在设计过程中，虽然过程中遇到了一些小困难，但解决这些问题的过程也是对自身专业素质的一种提高与肯定。在这一个星期中，我不仅设计出了自己较为满意的电路，更重要的是将那些在课本上学到的东西运用到了实践当中，使我对电路设计方面又有了更深一层次的了解。
参考文献
[1] 高晓蓉.传感器技术[M].成都：西南交通大学出版社，2003.
[2] 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用[M].北京：电子科技大学出版社，2004.
[3] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4] 刘利秋.基于电涡流传感器测厚及材质鉴别的研究[J].沈阳航空工业学院学
报.2006：84-86.
[5] 李成华.现代检测技术[M].北京：中国农业大学出版社，2001.
[6] 胡嗣云，张武杨.电涡流传感器线性化参数分析[J].电测与仪表.2002:36-38.
[7] 蔡美琴.MCS-51系列单片机系统与其应用[M].北京：高等教育出版社，2007.
东北石油大学课程设计成绩评价表
指导教师：年月日
（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
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这几个参数在一定围不变，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
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。
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
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
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
第一节系统简介 1、为何采用电涡流位移传感器 ●电涡流位移传感器能测量被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置。 ●电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。 ●从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心——转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，测量结果可靠、可信。过去对于机械的振动测量采用加速度传感器或速度传感器，通过测量机壳振动，间接地测量转轴振动，测量结果的可信度不高。 2、系统组成 系统主要包括探头、延伸电缆(用户可以根据需要选择)、前置器。 图1传感器系统组成 第二节系统的工作原理 传感器系统的工作机理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。如果在磁场H1的范围内没有金属导体材料接近，则发射到这一范围内的能量都会全部释放；反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场H1将在
导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的电感。这种变化既与电涡流效应有关，又与静磁学效应有关，即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈——金属导体系统的物理性质通常可由金属导体的磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r，线圈与金属导体距离d，线圈激励电流强度I和频率ω等参数来描述。因此线圈的电感可用函数L=F(μ,σ,r,I,ω，d)来表示。 图2电涡流作用原理图 第三节结构说明 1、探头 探头对正被测体表面，它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。通常探头由线圈、头部、壳体、高频电缆、高频接头组成，其典型结构见图3所示。 图3探头典型结构 线圈是探头的核心，它是整个传感器系统的敏感元件，线圈的物理尺寸和电气参数决定传感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性。
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-)
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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
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（振动）传感器原理与应用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
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，能连续准确地米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。 图1-2 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，主要取决于其核心一转轴，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。
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6、磁导率E、尺寸因子T、头部体线圈与金属导体表面的距离D电流强度I和频率3参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(T, E , 6 , D, I, 3 )函数来表示。通常我们能做到控制 T , E , 6 , I, 3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。
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。
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
传感器的位移测量实验 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
位移测量实验报告 专业班级姓名实验仪器编号实验日期一、实验目的 掌握常用的位移传感器的测量原理、特点及使用，并进行静态标定。 二、实验仪器 CSY10B型传感器系统实验仪。 三、实验内容 （一）电涡流传感器测位移实验· 1、测量原理 扁平线圈中通以交变电流，与其平行的金属片中产生电涡流。电涡流的大小影响线圈的阻抗Z。 Z = f（ρ，μ，ω，x）。 不同的金属材料有不同的ρ、μ，线圈接入相应的电路中，用铁、铝两种不同的金属材料片分别标定出测量电路的输出电压U与距离x的关系曲线。 2、测试系统组建 电涡流线圈、电涡流变换器（包括振荡器、测量电路及低通滤波输出电路）、测微头、电压表、金属片。 3、试验步骤 ①安装传感器测微头；②连接电路；③依次用铁片、铝片进行位移测量。
4、数据分析与讨论 画出输入输出关系曲线，确定量程，非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。
（二）光纤传感器测位移实验 1、测量原理 反射式光纤传感器属于结构型, 工作原理如图。 反射式位移传感器原理 当发光二极管发射红外光线经光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电元件。经光电元件转换为电信号。经相应的测量电路测出照射至光电元件的光强的变化。 2、组建测试系统 光纤、光电元件、发光二级管、光电变换测量电路、数字电压表、反射体(片)、测微头。 3、实验步骤 ①观察光纤结构；②安装光纤探头、反射片；③连接电路；④旋动测微仪测位移。 X(mm) U(V)`` X(mm) U(V)`` X(mm) U(V)`` X(mm) U(V)`` 4、数据分析与讨论
电涡流位移传感器设计 技术要求： 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 一、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。 二、电涡流传感器的基本原理 2.1 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