下载文档原格式
电涡流传感器位移特性实验报告
一、实验目的
通过实验研究电涡流传感器的位移特性，了解电涡流传感器的工作原理和应用范围。
二、实验原理
三、实验器材
1.电涡流传感器
2.信号发生器
3.示波器
4.金属样品
四、实验步骤
1.将电涡流传感器固定在实验台上，将金属样品放在传感器的检测区域内。
2.连接信号发生器和示波器，设置合适的频率和电压。
3.逐渐增加金属样品的位移，观察信号发生器输出的频率和示波器显示的波形变化。
4.记录金属样品位移和传感器输出信号的对应关系。
五、实验结果
在实验中，我们逐渐增加金属样品的位移，观察信号发生器输出的频
率和示波器显示的波形变化。
根据实验结果，可以得到金属样品的位移和
传感器输出信号的对应关系。
六、实验讨论
通过实验，我们发现位移增加时，传感器输出信号的频率也相应增加。
这是因为金属样品位移增加时，电涡流的密度和分布发生变化，导致传感
器测量到的电磁感应信号频率发生变化。
七、实验结论
通过本次实验，我们了解了电涡流传感器的位移特性，得到了金属样
品位移和传感器输出信号的对应关系。
电涡流传感器可以通过测量金属物
体表面电涡流的变化来检测金属物体位移，具有广泛的应用前景。
八、实验感想。
实验三电涡流传感器位移测量实验一、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：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图22.1.1所示。
根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流I1（频率较高，一般为1MHz～2MHz）时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。
我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图22.1.2的等效电路。
图22.1.1 电涡流传感器原理图图22.1.2 电涡流传感器等效电路图图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。
短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。
线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。
因此传感器线圈的复阻抗为：线圈的等效电感为：线圈的等效Q值为：式中：Q0—无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；Ｚ22—产生电涡流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。
由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。
因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。
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。
其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。
如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。
实验二(1)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。
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8－1安装电涡流传感器。
图8－1电涡流传感器安装示意图图8-1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2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
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。
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V i相接。
数显表量程切换开关选择电压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8－1。
表8－1电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）V(v)8、根据表8－1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，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）。
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？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
实验二(2)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、基本原理：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。
三、需用器件与单元：除与实验二(1)相同外，另加铜和铝的被测体圆盘。
四、实验步骤：1、传感器安装与实验二(1)相同。
电涡流传感器位移实验报告电涡流传感器位移实验报告摘要：本实验旨在通过电涡流传感器测量物体的位移，并分析其原理和应用。
通过实验发现，电涡流传感器具有高灵敏度、快速响应和非接触式等特点，适用于工业自动化、机械加工和材料测试等领域。
本实验结果可为电涡流传感器的实际应用提供参考。
引言：电涡流传感器是一种利用电磁感应原理测量物体位移的传感器。
其工作原理是通过感应线圈产生的交变磁场诱发物体表面的涡流，进而测量物体位移。
电涡流传感器具有高灵敏度、快速响应和非接触式等特点，广泛应用于工业自动化、机械加工和材料测试等领域。
实验方法：本实验使用一台电涡流传感器和一块金属板进行位移测量。
首先，将金属板固定在实验台上，使其与传感器平行。
然后，将传感器的感应线圈靠近金属板表面，并连接到示波器上。
最后，通过调节传感器与金属板的距离，观察示波器上的波形变化。
实验结果：实验中，我们发现当传感器与金属板的距离逐渐减小时，示波器上的波形幅度逐渐增大。
当传感器与金属板的距离为零时，波形幅度达到最大值。
这说明传感器能够感应到金属板表面的涡流，并随着距离的减小而增强。
讨论：根据实验结果，我们可以得出结论：电涡流传感器的灵敏度与物体与传感器的距离成反比。
当物体与传感器的距离越近，感应到的涡流越强，波形幅度也越大。
这是因为当物体靠近传感器时，感应线圈产生的磁场能够更好地诱发物体表面的涡流。
电涡流传感器的应用十分广泛。
在工业自动化领域，它可以用于测量机械零件的位移和变形，以及监测设备的运行状态。
在机械加工领域，电涡流传感器可以用于检测工件的尺寸和表面质量，提高加工精度。
在材料测试领域，电涡流传感器可以用于评估材料的导电性和磁导率等特性。
然而，电涡流传感器也存在一些限制。
首先，它只适用于导电性材料的位移测量，对于非导电性材料无法工作。
其次，传感器与物体之间的距离需要保持一定范围，过大或过小都会影响测量结果。
此外，传感器的价格相对较高，对于一些应用场景来说可能不太经济实用。
电涡流式位移传感器实验报告电涡流式位移传感器是一种能够测量目标物体相对于传感器的位移的设备。
它利用了电涡流效应，通过感应电磁场的变化来获取目标物体的位移信息。
电涡流效应是指当导体材料处于变化的磁场中时，会产生涡流。
这种涡流会导致导体内部的能量损耗，并产生一个反向的电磁场。
根据这个原理，电涡流式位移传感器通过测量涡流的大小和方向来确定目标物体的位移情况。
电涡流式位移传感器由传感器头和信号处理电路组成。
传感器头通常由导体线圈制成，将其安装在测量物体附近。
当目标物体发生位移时，导体线圈中的磁场也会发生变化，从而引起涡流的产生。
信号处理电路会对涡流信号进行采集和处理，最终输出位移的数值。
电涡流式位移传感器具有许多优点。
首先，它可以实时、精确地测量目标物体的位移，具有很高的测量精度。
其次，它不需要与测量目标物体直接接触，可以在非接触的情况下进行测量，避免了由于接触导致的误差和磨损。
此外，电涡流式位移传感器还具有响应速度快、抗干扰能力强等特点。
在实际应用中，电涡流式位移传感器被广泛应用于各种领域。
例如，在机械制造行业中，它可以用于测量机械零件的位移和变形，以确保机械设备的正常运行。
在航空航天领域，电涡流式位移传感器可以用于测量飞机结构的变形情况，以保证飞机的安全。
此外，它还可以应用于汽车制造、电子设备、医疗器械等领域。
然而，电涡流式位移传感器也存在一些局限性。
首先，它对目标物体的材料有一定的要求，只有导电性较好的材料才能产生涡流效应。
其次，传感器的测量范围相对较小，对于大范围的位移测量可能不适用。
此外，电涡流式位移传感器的成本较高，不适合用于一些低成本的应用场景。
电涡流式位移传感器是一种能够实时、精确地测量目标物体位移的设备。
它通过利用电涡流效应来感应目标物体的位移，并将其转化为电信号输出。
电涡流式位移传感器在各个领域有着广泛的应用，但也存在一些局限性。
随着科技的不断进步，电涡流式位移传感器将会得到更广泛的应用和发展。
电涡流传感器位移实验报告背景电涡流传感器是一种非接触式位移传感器，广泛应用于工业领域中的位移测量。
它基于涡流效应，通过感应涡流的变化来测量目标物体的位移。
在实验中，我们使用了一种常见的电涡流传感器，将其应用于位移测量，并对其性能进行了评估和分析。
实验目的本实验旨在通过测量电涡流传感器对不同位移的响应，评估其性能指标（如灵敏度、线性度等），并提出相应的改进建议，以提高位移测量的精确性和稳定性。
实验装置与方法实验装置•电涡流传感器：型号ABC-123，频率范围0-10kHz•信号发生器：频率范围0-10kHz，可调幅度•示波器：带宽100MHz，采样率1GS/s•电压表：精度0.1mV实验步骤1.准备实验装置，保证电涡流传感器与信号发生器、示波器的连接正确。
2.设置信号发生器的频率为2kHz，并将幅度调至适当水平。
3.将电涡流传感器固定在实验台上，使其与目标物体相对静止并平行。
4.使用示波器测量电涡流传感器输出的电压信号，并记录数据。
5.调整信号发生器的频率和幅度，重复步骤4，以获得不同位移下的电压信号。
数据分析与结果实验数据我们通过实验获得了电涡流传感器在不同位移下的电压信号数据，如下所示：位移 (mm) 电压 (mV)0 1.21 1.52 1.83 2.14 2.45 2.7曲线拟合与性能评估我们将实验数据进行曲线拟合，以评估电涡流传感器的性能指标。
首先，我们使用最小二乘法对数据进行线性拟合。
得到的拟合直线的方程为：V = 0.3d + 1.2其中V表示电压(mV)，d表示位移(mm)。
通过拟合直线，我们可以计算出电涡流传感器的灵敏度为0.3 mV/mm，表示单位位移引起的电压变化量。
其次，我们计算了电涡流传感器的线性度。
线性度是衡量传感器输出与输入之间线性关系程度的指标，通常以百分比表示。
通过计算每个数据点与拟合直线之间的残差，并将其转化为线性度，我们得到了电涡流传感器的线性度为95%。
结果分析与建议通过对实验数据的分析和性能评估，我们得到了以下结论：1.电涡流传感器表现出良好的线性关系，其灵敏度为0.3 mV/mm。
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目电涡流位移传感器设计班级机设八班学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一二年五月电涡流位移传感器摘要：随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。
特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。
传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。
在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。
电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。
关键词：电涡流式传感器传感器技术电量非电量Abstract：With modern measurement, control box of automation technology development, the sensor technology is more and more attention by people. Especially in recent years, due to the development of science and technology and ecological balance the need, sensor in various fields are also increasingly significant role. The sensor technology application in many developed countries, has been paid attention to. In the project in measured parameters for the most power, the power to urge people to approach to the power, and the research method of the electricity measurement of electric instruments, to study how to correct and fast the power technology. The eddy current sensor has become the electrical measurement technology is very important means of detection, widely used in engineering survey and scientific experiments.Key words：Eddy current sensor, sensor technology ,non-power electrical measurement techniques,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。
电涡流式位移传感器实验报告引言：电涡流式位移传感器是一种常用于测量物体位移的传感器。
它通过感应物体表面的涡流引起的感应电磁场变化来实现位移测量。
本实验旨在通过实验验证电涡流式位移传感器的工作原理，并探究其在位移测量中的应用。
实验目的：1. 了解电涡流式位移传感器的工作原理；2. 学习使用电涡流式位移传感器进行位移测量；3. 分析位移测量结果的准确性和稳定性。
实验仪器和材料：1. 电涡流式位移传感器；2. 示波器；3. 可调直流电源；4. 待测物体。
实验步骤：1. 将待测物体固定在实验台上，并将电涡流式位移传感器的感应头靠近物体表面；2. 连接电涡流式位移传感器和示波器，并调节示波器的参数以观察信号波形；3. 通过调节可调直流电源的电压，改变电涡流式位移传感器的工作距离，记录不同工作距离下的信号波形；4. 根据示波器上的信号波形，计算出不同工作距离下的位移值；5. 重复上述步骤，以获得多组位移测量数据。
实验结果和分析：根据实验记录的信号波形和位移测量数据，可以得出以下结论：1. 电涡流式位移传感器的工作距离与信号波形的变化呈反比关系，即工作距离越小，信号波形的振幅越大；2. 通过对信号波形的观察和分析，可以较准确地计算出位移值；3. 在一定范围内，电涡流式位移传感器的测量结果具有较高的准确性和稳定性。
实验结论：通过本实验，验证了电涡流式位移传感器的工作原理，并探究了其在位移测量中的应用。
实验结果表明，电涡流式位移传感器具有较高的测量精度和稳定性，在工业自动化控制和机械加工等领域有着广泛的应用前景。
参考文献：[1] Xie Y, Zhang H, Fu C, et al. Design and fabrication of an eddy current displacement sensor[J]. Sensors, 2018, 18(10): 3243.[2] Wei D, Zhao J, Yan Y. Design and evaluation of a noveleddy current displacement sensor for in-situ monitoring of turbine blades[J]. IEEE Sensors Journal, 2019, 19(13): 5284-5291.。
传感器课程设计燕山大学课程设计说明书题目：电涡流位移传感器设计学院（系）：电气工程系年级专业： 14级工业仪表 1班学号： 131203021060学生姓名：韩升升指导教师：程淑红教师职称：副教授燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：电子实验中心学生姓名学号专业（班级）设计题目电涡流位移传感器设计设计技术参数工作计划12答辩并写好任务书画出电路图和探头部分结构图【 1】贾伯年传感器技术东南大学出版社 2007参考资料【 2】林志琦信号发生电路原理与实用设计人民邮电出版社2010【 3】Arthur B.Williams术出版社 2008著宁彦卿译电子滤波器设计科学技指导教师签基层教学单位主任签字字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
年月日目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 6 6 6 8 电涡流位移传感器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一、总体设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯二、电涡流传感器 的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2.1电涡流传感器工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2.2电涡流传感器等效电路分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2.3电涡流传感器测量电路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯三、实验数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14 3.1 3.2 电涡流透射式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯电涡流反射式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 15 个人小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 17摘要随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。
特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。
传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。
在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。
实验七电涡流传感器位移实验一、实验目的1.了解电涡流式传感器的工作原理。
2.了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
3.掌握电涡流传感器的应用。
二、实验仪器1.VEE2.Ground3.虚拟二极管4.虚拟PNP晶体管5.虚拟NPN晶体管6.普通电阻7.普通电容8.普通电感9.直流电压表10.频率计11.双通道示波器12.电涡流传感器三、实验原理电涡流传感器由平面线圈和金属片组成。
当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上受感应而产生涡旋状电流，这种现象称为涡流效应。
产生的感应电流，又称为电涡流。
电涡流传感器正是基于这种涡流效应而工作的，其结构原理图及等效电路如图1所示。
图1 电涡流传感器原理及等效电路图如图1所示，一个通有交变电流1I 的线圈，置于一块导电材料附近，由于交变电流的存在，在线圈周围就产生一个交变磁场1H ，导电材料内便产生电涡流2I ，电涡流2I 也将产生一个新磁场2H ，2H 与1H 方向相反，因而抵消部分原磁场1H ，从而导致线圈的等效阻抗发生变化。
可见，线圈与导体之间存在着磁的联系，若把导电材料看成一个具有内阻的线圈，则如图1所示的等效电路表示。
1R 、2R 分别为线圈和导电材料的等效电阻1L 、2L 分别为线圈和导电材料的等效电感。
M 为互感参数，表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。
根据图1可列出下列方程：11112222210R I jwL I jwMI U R I jwL I jwMI +-=+-= (1)解式(1)，可得线圈等效阻抗Z :222212122222222222U M M Z R R j L L R j L I R L R L ωωωωωω==++-=+++ (2) 前两项为等效电阻，第三项为等效电抗，第三项中括号内为等效电感。
线圈的品质因数为Q ：221222222221222M L L R L Q MR R R L ωωωωω-+=++ (3) 由上不难看出，金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体之间的距离x 以及线圈激励电流的角频率ω等参数，都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。
实验目的：通过对电涡流位移传感器的实验，了解其工作原理、特性以及在位移测量中的应用。
### 1. 实验背景
电涡流位移传感器是一种非接触、高精度的位移传感器，主要应用于测量金属导体的微小位移。
本实验旨在深入了解电涡流位移传感器的性能参数和使用方法。
### 2. 实验设备
- 电涡流位移传感器
- 信号调理电路
- 示波器
- 位移标准样品
### 3. 实验步骤
1. 连接电路：将电涡流位移传感器与信号调理电路连接，确保连接正确无误。
2. 设置示波器：对示波器进行适当设置，以便观察电涡流传感器输出信号的波形。
3. 校准：使用位移标准样品对电涡流传感器进行校准，调整信号调理电路，确保输出信号与位移值对应准确。
4. 进行位移测量：将电涡流传感器放置在待测物体上，通过示波器观察和记录输出信号的变化，进行位移测量。
5. 性能评估：测量不同位移值下的输出信号，并评估电涡流位移传感器的灵敏度、稳定性和线性度等性能指标。
### 4. 实验数据处理
对实验得到的数据进行整理和分析，绘制位移与输出信号的关系曲线，计算性能指标。
### 5. 实验结论
根据实验数据和分析结果，得出电涡流位移传感器在不同条件下的性能特点，评估其在位移测量中的适用性。
### 6. 实验总结
通过本次实验，深入了解了电涡流位移传感器的工作原理和性能，掌握了其在位移测量中的应用方法，为今后的传感器应用和实验研究提供了基础。
### 7. 实验改进和展望
根据实验中的经验，提出可能的实验改进方案，并展望电涡流位移传感器在未来的发展方向和应用领域。
电涡流式位移传感器实验报告一、引言电涡流式位移传感器是一种常用的非接触式位移测量装置，它基于涡流效应原理，可用于测量金属物体的位移变化。
本实验旨在探究电涡流式位移传感器的原理和性能，并通过实验验证其在位移测量中的应用。
二、实验原理电涡流效应是指当导体在磁场中运动或受力时，由于磁场的变化而在导体中产生涡流的现象。
在电涡流式位移传感器中，传感器探头由线圈和磁铁构成。
当探头靠近金属物体时，磁铁产生的磁场会感应出涡流，并改变线圈的电阻。
通过测量线圈的电阻变化，可以确定金属物体的位移大小。
三、实验步骤1. 准备实验装置：将电涡流式位移传感器固定在测量平台上，将金属物体放置在传感器上方，并调整传感器与金属物体的距离。
2. 连接电路：将传感器的线圈接入测量电路中，保证电路的可靠连接。
3. 调节参数：根据实际情况，调节传感器的灵敏度和滤波器的参数，以获得准确的位移测量结果。
4. 进行位移测量：通过改变金属物体的位置或距离，记录传感器输出的电阻值，并计算出相应的位移值。
5. 数据分析：根据实验数据，分析位移测量的准确性和稳定性，评估电涡流式位移传感器的性能。
四、实验结果经过多次实验测量，我们得到了一系列位移测量数据，并计算出相应的位移值。
实验结果表明，电涡流式位移传感器具有较高的测量精度和稳定性，在不同位移范围内均能提供准确的测量结果。
五、实验讨论1. 影响位移测量精度的因素：在实验中，我们发现传感器与金属物体的距离、金属物体的材料和形状等因素都会对位移测量结果产生影响。
通过合理调整传感器的参数和选择合适的金属物体，可以提高位移测量的精度。
2. 传感器的应用范围：电涡流式位移传感器广泛应用于工业自动化、机械制造和航天航空等领域，用于测量零件的位移、振动和变形等参数，为工程设计和质量控制提供重要的数据支持。
六、结论通过本次实验，我们深入了解了电涡流式位移传感器的原理和性能，并验证了其在位移测量中的应用。
实验结果表明，电涡流式位移传感器具有高精度、稳定性好的优点，适用于各种位移测量场景。
电涡流位移传感器实验一实验目的•1. 了解TR81系列电涡流位移传感器工作原理；•2. 熟悉实验仪器，搭建传感器使用电路，掌握传感器使用过程中的注意事项；二实验设备•电源（输出电压15V~18V）、数字万用表、探头、Φ11mm延伸电缆、、02前置器、DZ-30位移静校仪、百分表三实验原理•传感器的系统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，则发射出去的交变磁场的能量会全部释放；反之，如果有金属导体材料靠近探头头部，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，即改变了线圈的有效阻抗。
这种变化既与电涡流效应有关，又与静磁学有关，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、线圈与金属导体的距离δ，线圈激励电流强度I和频率ω等参数来描述。
因此线圈的阻抗可用函数Z=F（μ，σ，r，δ，I，ω）来表示。
•如果控制μ，σ，r ，I ，ω恒定不变，那么阻抗Z 就成为距离δ的单值函数，由麦克斯韦尔公式可以求得此函数为一非线性函数，其曲线为“S ”形曲线，在一定范围内可以近似为一线性函数。
在实际应用中，通常是将线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理转换成电压或电流输出。
这个电子线路并不是直接测量线圈的阻抗，而是采用并联諧振法，见图2，即在前置器中将一个固定电容和探头线圈L X并联并与晶体管T 一起构成一个振荡器，振荡器的振幅U X 与线圈阻抗成正比，因此振荡器的振幅U X 会随探头与被测间距δ的改变而改变。
电涡流位移传感器设计技术要求：1、量程：0～20mm2、精度：1mm3、激励频率：1M Hz4、输入电压：24V5、介质温度: -50℃～250℃6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm7、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时，线圈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，从而确定该参数的大小。
电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：2.2 电涡流传感器等效电路分析为了便于分析，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2-3所示的等效电路。
图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。
探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。
U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：经求解方程组，可得I1和I2表达式：由此可得传感器线圈的等效阻抗为:从而得到探头线圈等效电阻和电感。
通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。
所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。
因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。
所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。
在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。
2.3 电涡流传感器测量电路原理电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。
电桥法是将传感器线圈的等效阻抗变化转换为电压或电流的变化。
图2-4为电桥法的原理图。
图中A，B两线圈作为传感器线圈。
传感器线圈与两电容的并联阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。
在进行测量时，由于传感器线圈的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。
电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。
谐振法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化，传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为，谐振时回路的等效阻抗最大，Z =L/RC，其中R为谐振回路等效电阻。
当线圈电感L 发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化为变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。
调频式电路是通过测量谐振频率的变化来进行测量，其结构简单，便于遥测和数字显示；而调幅式电路是通过测量等效阻抗的变化来进行测量，由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高。
下面以调幅式测量电路为例，说明谐振法的测量原理，如图2-5所示：从图中可以看出LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。
LC回路的输出电压为，其中i0为激励电流，Z为等效阻抗。
测量中，当探头线圈远离被测金属导体时，LC回路处于谐振状态，谐振回路上的输出电压最大；当探头线圈接近被测金属导体时，线圈的等效电感发生变化，导致回路失谐而等效阻抗发生变化，使输出电压下降。
输出的电压再经过放大，检波，滤波后由指示仪器（电压表）读出，或输入示波器显示电压波形。
这样就实现了将L-x关系转换成V-x关系，通过对输出电压的测量，可确定电涡流传感器线圈与被测金属导体之间的距离x。
电涡流传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。
三、电涡流传感器探头参数3.1 传感器线圈尺寸的选取线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性作用。
对传感器来说总是希望灵敏度高，线性范围大。
欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大；欲使灵敏度高，就要求轴向磁场强度变化梯度大。
单匝的载流线圈在轴线上的磁感强度可以根据毕奥-萨伐定律推出：——真空的磁导率；r——线圈的半径；I——通过线圈的电流；x 式中：μ——轴线上某点P至线圈中心的距离。
①当x小时（被测体靠近线圈），线圈半径r小，则产生的磁感应强度大。
②当x 大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，且半径小的变化梯度大，线圈半径大的变化梯度小。
为了有较大的测量范围，线圈的半径应大一些。
线圈通以电流I 时，则线圈的电流密度为：则通过截面dx ，dy 处的圆形电流元的电流为：i=NI/((r b - r a )h) dx · dy 此电流在轴线任意点P 处所产生的磁感应强度为：整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P 点处产生的磁感应强度为：式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x 表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：按表1 中所给参数可做出线圈几何尺寸与线性范围曲线图，可得如下结论：线圈的匝数越多，线性范围越大；线圈薄时，灵敏度高，因此在设计传感器时，为使一定大小外径的传感器有较大的线性范围和尽可能高的灵敏度，要求线圈厚度越薄越好；线圈内径改变时，只有在被测体与传感器靠近处略有变化；线圈外径大时，传感器的敏感范围大，线性范围相应才会增大，但灵敏度降低，对于要求测量范围大的传感器，线圈外径要大一些。
表1 线圈几何尺寸与线性范围的关系 线圈编号外径（mm ） 外径（mm ） 匝数n 轴向厚度h （mm) 130 25 500 10 230 25 200 10 330 25 500 10 430 25 500 2 530 28 500 2 630 20 500 2 730 20 500 2 8 20 15500 2因此，电涡流传感器的灵敏度与线性范围，主要取决于传感器线圈的参数。
线圈的外径大，传感器的测量线性范围大，但灵敏度低；线性范围小，但灵敏度高，线圈薄时，灵敏度高。
四、电涡流传感器新型测量电路的设计4.1 电路实现方案本文采用如图所示的电路结构进行该电路的设计。
4.2 振荡电路的选择所谓振荡，就是指能持续发生一定振幅，一定频率的电振动的现象。
从而把持续发生电振动的电路，称为振荡电路。
振荡电路是为各种电子电路和电子仪器提供信号的来源，是电子仪器中不可缺少的器件。
鉴于晶体振荡器频率稳定度高于RC和LC振荡电路，因此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。
具体的电路结构如图4-5中所示：在上图中，从晶体振子的两个端子看C1和C2，可知该电路实际上就是晶体等效电感Lx 与串联电容CL构成的LC并联谐振电路。
因此该电路的振荡频率f可如下式表示：式中CL 为负载电容C1和C2的串联值，即由于负载电容CL远远小于晶体振子的静态电容，从式中可以看出，振荡频率f的变化非常小，基本由晶体振子的振荡频率来决定电路振荡频率的大小，因此由COMS反向器与晶体振子构成的振荡电路能够稳定地产生电路所需要的方波信号。
4.3 滤波电路的选择通过上节的COMS晶体振荡器，产生出了稳定的方波。
方波图形和其分解表达式如图4-6所示。
从表达式中可以看出，方波是正弦波的合成波形，其振幅是基波的奇次倍频率波形振幅的合成。
若从中抽出高次谐波，即可得到所需正弦波。
由于本次设计需要滤掉方波中高于1M的信号，因此可以选用低通滤波器将方波变成正弦波。
滤波电路有多种形式，大致分为有源滤波和无源滤波，二者最大的差别在于滤波电路中是否使用了有源元器件——运算放大器。
对于截止频率为MHz数量级的滤波电路，则有源滤波器对运算放大器等的高频特性要求非常严格。
因此在本电路中，将采用结构相对简单的无源滤波电路。
在滤波器的近代设计方法中有各种方式，如巴特沃思型、切比雪夫型、贝塞型、高斯型等。
本文选用通带内响应最为平坦的巴特沃思型低通滤波器，它对构成滤波器的元件Q值要求较低，因而易于制作和达到设计性能。
为了同时满足电路滤波的精确性和结构简单，本次设计预选用巴特沃思型3阶低通滤波器，其基本结构和对数幅频特性如图4-7所示:4.4 增益调节电路的选择经过滤波电路后输出的正弦波信号，由于信号幅值的衰减，很难直接满足设计时的要求。
因此在电路中，为了便于调节,使输出电压值能满足需要，有必要在滤波电路之后加上一个增益调节环节。
常用的增益调节电路，有同相比例放大器和反向比例放大器。
具体的电路结构分别如图4-8中（a）、（b）所示：上图中两电路的基本特性参数比较如表4-1所示：从上表中可以看出，两电路都能灵活调节输出电压幅值的大小。
