传感器实验

传感器实验精04 张为昭 2010010591实验二电涡流传感器变换特性一、实验目的1. 了解电涡流传感器的结构、工作原理及应用；2. 了解电涡流传感器调频电路的特点，测试电涡流传感器变换特性。

二、实验装置及原理1.装置图2.1 电涡流传感器装置2.原理涡流传感器是七十年代以后发展较快的一种新型传感器。

它广泛应用在位移振动监测、金属材质鉴别、无损探伤等技术领域中。

涡流传感器通常由扁平环形线圈组成。

在线圈中通以高频（通常为2.5MHz 左右）电流，则在线圈中产生高频交变磁场。

当导电金属板接近线圈时，交变磁场在板的表面层内产生感应电流即涡流。

涡电流又产生一个反方向的磁场，从而减弱了线圈的原磁场，也就改变了原线圈的自感量L、阻抗Z及Q值。

线圈上述参数的变化在其它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。

实验中采用了测量线圈自感量L的调频电路，即把线圈作为谐振回路的一个电感元件。

当线圈与金属板之间距离h发生变化时，谐振回路的频率f也发生变化，再用鉴频器将频率变化转换成电压变化输出。

图2.2 电涡流传感器原理三、实验内容及步骤1. 测量前置器输出频率f与距离h之间的关系；输出电压V与距离h之间（1）被测金属板先采用铝板。

转动微调机构或千分尺使金属板与传感器端面接触即h＝0，记下相应的输出信号频率，然后改变h并记下相应的输出频率f 的数值于表2－1中。

（2）改变h并记下涡电流传感器相应的输出电压峰峰值于表2－2中。

（3）改变h并记下测量电路最终的输出电压于表2－3中。

2. 换上钢板重复1的步骤，注意钢板在与传感器距离很小时传感器无输出，调整距离至有输出时作为零点，再开始进行后续测量。

3. 估测电涡流传感器的工作测量范围：铝板：1.5mm钢板：1.5mm（相对零点的位移）四、数据整理及问题分析1.实验数据整理2.数据处理及分析传感器输出频率与h的关系如图2.3所示。

图2.3 传感器输出频率与h的关系传感器输出信号的峰峰值与h 的关系如图2.4所示。

图2.4 传感器输出信号的峰峰值与h 的关系传感器电路最终的输出值与h 的关系如图2.5所示。

图2.5 传感器电路最终的输出值与h 的关系数据分析：由以上三个曲线可以发现： （1）电涡流传感器的滞回现象不明显；（2）测量铝板时，频率随距离增大而降低，这是因为铝为非磁性材料，线圈等效电感221222222M L L L R L ωω=-+中第一项不变，第二项代数值随距离增加而增加，由于f =，频率下降。

而在测量钢板时，频率先上升再下降，这是因为钢为磁性材料，有效导磁率影响的电感L1随距离增大而减小，电涡流产生的电感的代数值-L2w2M2R22+w2L22随距离增大而增大，二者叠加，导致总的线圈等效电感随距离先减小后增大，使频率先增大后减小。

同时注意到距离很近时钢板的频率测试有滞回现象，这可能是因为钢板为导磁材料，测量时产生的电涡流大，发热温升高，使电感发生了变化（增大）。

（3）两种材料的电压输出均随距离增大而增大，但均有饱和区。

铝板的上升段线性度较好，钢板则分成了两端线性度较好的部分，第一段灵敏度高，第二段灵敏度低。

（4）铝板频率及电压始终高于钢板且频率灵敏度比钢板高。

这是因为铝的导电性好，可以产生更大的感应电流和感应磁场，使电感较小且变化较快，由式f=可知此时灵敏度高，也正是因为铝板的导电性好，感应电流和磁场大，所以输出的电压也大。

3.误差分析（1）由于读数使用数字设备，输出数据老是跳动，可能会导致读数结果与实际不符。

（2）板与传感器并不是完全平行放置，距离测量存在误差。

（3）由于钢板的零点为调整后得到，所以它的输出和铝板比较得到的结论会存在一定的误差。

（5）由于感应电流产生热量使板温度升高，可能导致导磁率发生变化而产生误差。

（6）钢板输出电压的饱和区到达较晚，测试范围较大。

4.实验中问题的讨论实验中发现测量钢板距离时需要达到一定距离以上之后系统才会有输出。

分析原因可能是钢板在距离传感器太近时线圈等效电感太大，以及涡电流热产生的温升太高使输出太小不能被系统识别而显示为零输出。

五、思考问题1. 前置器是如何产生高频率振荡电压的？振荡频率主要由哪些元件决定？传感器到前置器之间的电缆为2米，若增加1米，有何影响？（1）前置器内是电容三点式振荡电路和射极输出器，由此电路产生高频率振荡电压。

前置器内部前级的电容三点式振荡电路输出高频振荡电流，通过LC 振荡电路产生交变磁场，后级的射极输出器将传感器产生的振荡电流和输入振荡电流叠加并跟随，并降低前后级连接带来的负载效应，另外，通过调整输入输出电阻的大小关系，可以降低外界对输出信号的干扰作用。

（2）振荡频率主要由前置器内部的电容、电阻和电感元件决定。

（3）若传感器到前置器之间的电缆长度增加1米，则由电缆引入的杂散电容增大，对振荡电流将产生干扰，由式f=1/2p LC，最终的输出频率将减小，而由于射极输出器的跟随作用，幅值不会产生变化。

2. 前置器到电源之间及到调频输出之间用一根单芯电缆，其上传输着几种信号？他们是怎样分离的？线路中1212L L C C 、、、起什么作用？采用单芯电缆有什么好处？（1）前置器与电源和调频输出之间的一根单芯电缆上传输着两种信号，一种是由传感器输出的高频交流振荡信号，一种是直流电源的直流信号分量。

（2）1212L L C C 、、、构成滤波电路，产生的振荡信号与原传感器中的振荡信号相互抵消，从而将（1）中两种信号分离。

（4）采用单芯电缆的好处是可以减小杂散电容，减小干扰。

3. 传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出有无影响？为什么？加入金属板是否也无影响？（1）传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出无影响。

因为这些材是不导电的，所以不会产生感应电流和感应磁场而影响感应磁场的分布规律情况。

（2）加入金属板有影响。

因为金属是导体，在交变磁场中会产生感应电流即涡电流，从而产生一个磁场，对原磁场产生影响，影响输出。

4. 由所得数据绘制出曲线，分析不同测试对象的材质对涡流传感器使用上有何影响（铝材质与45#钢材质在范围及灵敏度上有何不同）？由所得数据发现：铝板输出频率的灵敏度比钢板的高，因为铝板与传感器构成的等效电感随距离的变化更大，所以在移动相同距离时输出频率和输出电压变化更大，灵敏度更高。

同时在实验中还发现，钢板距离测量时有最小值的限制，不能从零开始，但钢板的测试范围更大。

因此在用电涡流传感器测距时，应根据灵敏度和使用范围选用不同材质。

5. 实验中所用传感器的可测范围为多少毫米？一般的涡流传感器的测量范围是多少？（1）依照线性测量的原则，由输出曲线可得实验中所使用传感器的可测范围是：铝板约0～1.5毫米，钢板0.1～0.4及0.4～1.2毫米两段。

（2）一般的涡流传感器测量的距离可为0~30mm mm ，频率范围为40~10Hz Hz ，线性误差约为1%~3%，分辨率最高可达0.05m 。

实验四 悬臂梁动态参数测试一、 实验目的及要求本实验主要目的是培养同学面对实际测试任务，自己独立实施实验的能力。

要求同学综合运用已学知识，构思自己的实验方案——如何组成测试系统；选用哪些仪器及设备；在该系统中起何作用？实验要求为：1. 测试悬臂梁的动态参数；2. 掌握传感器、激振器等常用振动测试设备的使用方法；3. 了解振动测试的基本方法和系统构成。

二、 实验仪器1. 功率放大器2. 激振器3. 信号发生器4. 加速度传感器5. 涡流传感器 三、 实验任务现有一根钢板，长L ＝40cm ，宽c ＝5cm ，厚b ＝0.5cm 。

用它做成插入端悬臂梁（如图4.1所示）。

图4.1 悬臂梁外伸臂长可调节成两种长度：长L 1=25cm , L 2=20cm 。

1. 试计算该两种长度下悬臂梁的一阶固有频率0f 。

已给出插入端悬臂梁固有频率0f 的计算公式为：0f =式中：262220 1.875()(/) 1.710/(/)a a L cm E kgf cm E kgf cm I kgf s cm ==⨯ ——振型常数，一阶振型时——悬臂梁外伸长度——梁的弹性模量——梁的截面惯性矩梁的尺寸为： L 可调横截面积为：b ×c 代入数据：332405(0.5)0.052 5.2101212cb I cm -⨯====⨯r L =r V i b i c =7.8(g /cm 3)´0.5´5(cm 2)=19.5(g /cm )=19.5´10-3kg /cm 式中V ρ为梁的单位体积质量，将kg 化为工程质量的单位：211/9.8kg kgf s m =⋅ 2352219.5110 1.9910/9.8kgf s L kgf s cm m cmρ--⋅=⨯=⨯⋅ 故：L=25cm 时，f 0=59.67HzL=20cm时，f=93.23Hz3. 设计一个测试系统，用实验的方法实测这三种长度的悬臂梁的一阶固有频率f，阻尼率ζ。

（a）实验原理方法在本实验中采用两种方法进行测量：（1）脉冲相应法：在悬臂梁的悬臂端安装传感器，将信号通过示波器显示出来进行观察和测量。

要产生脉冲相应，可以通过手或刚性物件（如钢尺）等敲击悬臂梁末端，模拟脉冲激励，则欠阻尼系统的响应曲线如图4.2所示，脉冲相应函数为y(t)=-zw n t sin1-z2wnt()其中：z»ln(x1xn) 2p n图4.2 欠阻尼二阶系统脉冲响应依据输出曲线上的数据点，可以求出阻尼比，再依据式：nω=可以求出固有频率。

（2）频率响应法：欠阻尼输入不同频率的正弦波时，有关系式：ArA=其中Ar 为谐振峰值，A为0频率处幅值。

依此可求出阻尼比。

又有：wn=其中w为谐振频率。

依此可以求出固有频率。

p（b）测试系统框图（1）脉冲响应法框图：（2）频率测试法框图：（c（d（1）脉冲激励测量时，要以第3、4个波峰作为起点进行计算以减小最初响应中高频部分的干扰。

且要多隔开几个波峰测量以减小误差。

（2）敲击生成脉冲激励时要注意选取合适的敲击物以保证实际激励与脉冲的近似度较高。

（3）使用信号发生器时注意生成的为正弦波且输出频率数量级正确。

（4）激振器的位置及与梁的距离要合适。

四、数据处理及分析1.实验数据及处理（1）脉冲激励法L=20cm时，阻尼比：z»ln(x1x7)2p´7=0.0213固有频率：f==71.44Hz L=25cm时，阻尼比：z»ln(x1x7)2p´7=0.0206固有频率：f==50.52Hz（2）频率测试法L=20cm。

幅频特性曲线如图4.3所示。

图4.3 L=20cm 时的幅频特性曲线由曲线可知谐振频率为72.4Hz ，由于系统阻尼比很小，所以可以认为谐振频率就是固有频率。