传感器原理及应用课程设计

传感器原理及应用课程设计题目：被测体材质对电涡流传感器的特影响实验研究学生：赵玉洲学号：20120841011086年级：2012级专业：电气工程及其自动化指导教师：李俊峰邯郸学院机电学院2015年6月目录一工作原理二应用三实验设计方案四实验结果与分析五结论一电涡流传感器的工作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（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），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。PR3300电涡流传感器的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。工作过程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值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。电涡流传感器工作原理如图所示按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。相关产品PR3300系列电涡流传感器是基于涡流效应的原理制成的非接触式位移传感器，是目前国内技术指标最高的电涡流传感器之一。该传感器由探头、加长电缆、前置器组成，可用来测量旋转机械轴的各种运行状态参数：如轴的径向振动、轴向位移转速、偏心、差胀等。电涡流传感器的特点是结构简单，丛于进行非接触式的连续测量．灵敏度较高，适用性强。它的阻抗受睹多因素影响．如金属材料的厚度、尺寸、形状、吧导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他冈京就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素，冈此电涡流传感器的应用领域—E们’泛。似闹时包带来许多不确定冈素．一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果，所以电涡流传感器多用于走件测量。即使要用作定量测量，也必须采用前面述及的逐点林定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。下血就几个主要的应用做简单的介绍。二应用1、位移的测量某些旋转机械，如高速旋转的气轮机对轴向位移要求很高。当气轮机远行叫，M[片在高压蒸气候动F高速旋转，它的主轴承受巨大的抽N惟力。若主抽的位移越过规定值时，叶片有nT能勺其他部件碰樟而断裂。因此用屯涡流传感器测量各种金属1飞牛的微小位移量就显得卜分至给。利用电涡流探头4盯以洲旦谙AII气轮机主轴的轴向位移、LU动机的轴向审动、磨床换向阀、先寻阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。伙穆测量范判可以从高灵敏度的o一1mm到大量程的o一3〔)mnb分辨率可达满里程的o．1％，其缺点足线件皮稍差。只能达到1％GZXwY型吧涡流轴问位移监测保护装置可以在恶劣的环境(如高温、潮湿、剧烈振动等）露F接触测量利监视旋转机械的钠向位移。轴向位移的收测如图6—9所示。杯设备停止检修时，将探头安站在与联轴器端四的距离为2nun的基应L，调节二次仪表使示值为塔。当气轮机启动后，长期检测其轴向位移量。dj以发现，内于铀向推力和轴承的磨损川使探头’J联劝器端而的队离5减小，二次仪表的输出屯乐小零开娇增大。可调整二次仪表去而上的报警设定位．使什移钽电容达到危险值(本例中为o．9mm)叫，一次仪表发出报警信号；当位移量达到1．2mm时．发出停帆信号以避免发生事故。广述测量属于动态测量。原理还可以将此类仪胎用于其他设备的监测。电涡流传感器DJ以元接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数。在气轮机、空气压缩机个常用电涡流传感器来监控主轴的径向、轴向振动，也可以测量发电机涡流叶片的振幅。在研兜机器振动时，常常采用多个传感器放置公机器不同部位进行检测，得到各个部位的振幅值、相位值，从而画出振则图，测量方法如图6—10所示。通常，由了机械振动是由多个不同频率的振动合成的，所以其波形一般表尔正弦波，可以用频谱分析仪来分析输出信号的频率分布，各对应频率的幅度。2、转速的测量若旋转体上已另：有一条或数条槽或做成齿状，则可在旁边安装一个电涡流传感器、如图6—11所示。当转轴转动时，传感器周期地改变着与旋转体表面之间的距离。于是它的输出电压也周期地发生变化，此脉冲电压信号经放大、变换后，可以用频率汁测出其变化的重复频率，从而测出转轴的转速，若转轴上仆：个槽(或齿)、频率计的读数为／(节仰为tlz)，则转轴的转速n(单位为r／rnin)的计算公式为gg、坡层厚度测量用电涡流传感器可以测量翅料友面金届镀层的厚度。以及印刷线路板铜箔的厚度等，如图6—12所示：由于存在集队效应，镀层或箔层越南，屯涡流越小。测量创，uJ先用电涡流侧厚仪对标准的镀层和铜箔作出“厚度—输出电压”的标定曲线．以便测量nd对照。3、电涡流式通道安全检查门我国于1981年八始使用图6—NXP代理商监所示的汽／人口检测系统．可伶效地探测出枪支、b首等分届武器反其他大件金属物品。它广泛府灼于机场、海关、钱币J—、版狱等层蟹场所。1）．指示灯2）．隐蔽的金居导体3）．内藏式电涡流线圈4)．X光及中了探测器处理系统L液晶彩显该安全检测门的原理如图6—14所不。Ll、Lt2为发别线圈，均用环氧树脂浇灌、密封在门框山。川kHz音频信号现过L、、L”在线圈周围产生同频率凶交变磁场。蜘、Ln实际广分成6个扁平线园，分布／l门两侧的上、中、下部位．形成6个探测K。因为Lil、L12与L2，、Ln互TI代理相垂直．呈电气正交状态v无磁路交链刀。＝o。在行合届物体退过LLJ、L12形成的交变磁场HI时，交变磁场会在该金属导体农面，‘：牛电涡流。电涡流也将产生‘个新的微弱磁场H2。认的相位与企届导体位置、大小等有关，但与蜘l、I‘n个再厂交。因此盯以在山、J《中感应出电压。计算机根据感应出电压的大小、相位来判定企届物体的大小。出于个人携带的H常用品，如皮带扣、钥匙华、眼镜架、戒指、甚至断腿个的钢钉等也会引起误报警，因此计算机还要进行复杂的逻辑判断，才能获得既灵做义可靠、隙确纳效果。目前多公文检门的侧面女装一台“软X光”扫描仪。肖发现疑点时，可六功对人体、胶卷元音的低能量狭窄扇间X削线，进行断向扫描。用软件处理的方法、合成先整的光学图像，见图5—13右边显示器上的示意图。在更／“格的安检中，还在安检门的侧面安置能量微弱的小于发射管、对可疑刘象开启咳站置。让个子穿过密讨的行李也，利用质谱仪来计算出行李物品的岔氮量，以及碳、氢的精确比例，从而判定是否为爆ATMEL代理炸品(氮含量较大)。计算共他化学元素的比例，还可以确认商品和共他物质。利用电涡流传感器可以检企金届表6f(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器与被测导体保持距离个变。在检测过程小，出于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流J：变小，从们引起输出电压灾变。l引6—15是用心祸流探头检测高压输油管表面裂纹的不意图。两只导向辊用耐磨、不导电的聚四氟乙烯制成．亩的表而还刻有螺旋导N槽．并以相同的方向旋转。汕管在它们的驱动厂，匀速地在楔形电yR流探头L方做360”转动，并向前挪动c探头利油管表凹进行逐点扫描．得到阁6—16(a)的输出信号。当汕管存在裂纹时．电混流所止的路程大为增加见闻6—贩(t))1，所以电涡流突然减小，输61波形如图6—16(n)小的“尖峰”历示。该信号十分紊乱，用肉眼很难辨出缺陷性质。该信号通过带通滤波器，滤去表顶不平整、抖动等造成的输出异常后，得到图6l6(b)中的两个尖峰信导。凋节电压比较器的阀值电乐，得到真正的缺陷佰号。计算机还uJ以根据图6—16(n)的信号计算电涡流探头TI代理商线圈的阻抗，得到闯6—16(c)所示的“8”宁此瓣状阻抗图。根据K期积累的探伤经验，可以从该复杂的阻抗图中判断r1裂纹的长短、深浅、走向等参数。图小的黑色边框为反视报警区。当“8”字花瓣状图形超山报警K时即视为超标，产生报警信号。电涡流探伤仪杯实际使出时会ATMEL代理商受到谙多因素的影响，如环境温度变化、去15硬度、机械转动不均匀、抖动等．用中个吧涡流探头易受上述阅素影响，严重时无法分辨缺陷和裂纹，出此必须采用鼓动电路。在楔形屯涡流探头的尖端部位设置发射线圈，在其上方的左、右两侧分别没量一只接收线圈，它们的同名地相连，在没有裂纹信旱时输出厅相抵消。当裂纹进入左、省接受线图下力时，由于相位上有光后差别，所以信号无法抵消，j“生输出电压，这就是差动原理。温漂、抖动等干扰通常是同时作用于两只屯涡流差动线圈，所以不会产牛输出信号。如果计算机采用“相关技术”，就能进’步提高分辨力。上述系统的最大特点ATMEL是非接触狈0量．不磨损探头，俭测速度可达每秒几米。刘机械系统稍做改造，还可以用于：轴类、滚了类的缺陷检测。cjmc%ddz三实验设计方案实验二十二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：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，另加铜和铝的被测体圆盘。（四）、实验步骤：1、根据图8－1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Vi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8－18将原铁圆片换成铝和铜圆片。9、重复实验1-7步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表8－2和表8－3。表8－2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据。四实验结果与分析X(mm)17.116.916.716.616.416.316.115.915.7V(v)8.928.928.918.908.898.878.858.838.81X15.515.315.114.914.714.514.3V8.788.758.708.658608.568.53材质铝X(mm）15.015.215.415.615.816.016.216.416.6V（v）8.728.748.788.8