电涡流位移传感器设计总结报告

传感器与检测技术课程设计--电涡流位移传感器总结报告院系：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：XXXXXXXX成员：XXXXXX指导老师：XXXXXXX年XX月XX日传感器课程设计-1-目录一、概述…………………………………………………………2二、总体设计方案…………………………………………………2三、电涡流传感器的基本原理……………………………………33.1电涡流传感器工作原理………………………………………33.2电涡流传感器等效电路分析…………………………………33.3电涡流传感器测量电路原理…………………………………4四、电涡流传感器探头参数设计…………………………………6五、电涡流传感器新型测量电路的设计…………………………75.1电路实现方案…………………………………………………75.2振荡电路的选择………………………………………………75.3滤波电路的选择………………………………………………85.4增益调节电路的选择…………………………………………95.5移相电路的选择………………………………………………95.6电压-电流转换电路的选择…………………………………11六、误差分析………………………………………………………126.1非线性补偿…………………………………………………126.2动态特性……………………………………………………136.3温度补偿……………………………………………………13七、设计总结.…………………………………………………………13传感器课程设计-2-电涡流位移传感器设计一、概述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。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。预期参数：1、量程：0～20mm2、精度：1mm3、激励频率：1MHz4、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%传感器课程设计-3-8、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：3.2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：传感器课程设计-4-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。3.3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。传感器课程设计-5-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。输出的电压再传感器课程设计-6-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。3.4电涡流传感器的变换电路四、电涡流传感器探头参数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：式中：μ0——真空的磁导率；r——线圈的半径；I——通过线圈的电流；x——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/((rb-ra)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：传感器课程设计-7-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)130255001023025200103302550010430255002530285002630205002730205002820155002图3距离电压变化曲线因此，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。五、电涡流传感器新型测量电路的设计5.1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。传感器课程设计-8-5.2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f0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f0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。5.3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。传感器课程设计-9-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