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1、電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解不同材料對(duì)電渦流傳感器特性的影響。3 通過(guò)電渦流方法測(cè)量重量、電機(jī)轉(zhuǎn)速,掌握電渦流傳感器的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)。4 掌握電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)原理與自感傳感器、差動(dòng)變壓器相比,電渦流測(cè)量原理的特點(diǎn)有二,其一是對(duì)導(dǎo)電率、導(dǎo) 磁率等物性參數(shù)敏感,其二是能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量。這兩個(gè)特點(diǎn)使得電渦流傳感器的應(yīng)用 更為靈活多樣,至今人們還在不斷的開(kāi)發(fā)它的新用途。金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中,導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,稱之為電渦流。這種現(xiàn)象 稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器正是基于這

2、種渦流效應(yīng)而工作的。如圖 1 所示,一個(gè)通有 交變電流 I1 的線圈,置于一塊導(dǎo)電材料附近,由于交變電流的存在,在線圈周圍就產(chǎn)生 個(gè)交變磁場(chǎng) H1 ,導(dǎo)電材料內(nèi)便產(chǎn)生電渦流 I2 ,電渦流 I2 也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng) H2 , H1 與H 2方向相反,因而抵消部分原磁場(chǎng) H1 ,從而導(dǎo)致線圈的等效阻抗發(fā)生變化。圖1 電渦流效應(yīng)無(wú)疑,線圈與導(dǎo)體之間存在磁的聯(lián)系,若把導(dǎo)電材料看成一個(gè)具有內(nèi)阻的線圈,則圖 1可用圖 2 所示的等效電路表示。R1、 R2分別為線圈和導(dǎo)電材料的等效電阻,L1 、L2分別為線圈和導(dǎo)電材料的等效電感。M 為互感參數(shù),表征線圈與導(dǎo)電材料之間磁聯(lián)系強(qiáng)弱。圖 2 電渦流效應(yīng)的等效電

3、路由圖 2 可列出下列方程1)R1 I1 j L1 I1 j M I2 UR2 I2 j L2 I 2 j M I1 0解式 (1),可得線圈的等效阻抗 Z22U 2M 2Z UI R1 R2 R22 M 2L2222 j L1 L2MR22 2L22 2)前兩項(xiàng)為等效電阻,第三項(xiàng)為等效電抗,第三項(xiàng)中括號(hào)內(nèi)為等效電感。品質(zhì)因數(shù) Q 為L(zhǎng)1 L22M 2 R22 2L22 R1 R22M 2 R22 2L223)金屬導(dǎo)體的電阻率 、磁導(dǎo)率 、線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離 d 以及線圈激勵(lì)電流的角頻率 等參數(shù),都將通過(guò)電渦流效應(yīng)與線圈等效阻抗發(fā)生聯(lián)系?;蛘哒f(shuō)線圈等效阻抗是這些 參數(shù)的函數(shù),即4)Z f

4、 ( , ,d, )若能保持上述 、 、 d、 四個(gè)參數(shù)中的任意三個(gè)參數(shù)恒定,則等效阻抗將與第四個(gè)參數(shù) 之間建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,構(gòu)成了從第四個(gè)參數(shù)到等效阻抗之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。利用位移 d 作為變換量,可以非接觸的測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等,也可做成接 近開(kāi)關(guān)等。圖 3 為電渦流位移傳感器的幾種具體應(yīng)用。圖(a)為軸的軸向位移的測(cè)量,圖 (b)為先導(dǎo)閥或換向閥位移測(cè)量,圖 (c) 為金屬熱膨脹系數(shù)測(cè)量。測(cè)量位移范圍可從01mm 到030mm 分辨率為滿量程的 0.1%。圖3 電渦流位移傳感器的幾種具體應(yīng)用圖 4 為利用電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的電路框圖。在被測(cè)對(duì)象上開(kāi)一個(gè)凹槽,靠近軸表 面安裝電渦流

5、探頭。每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到如圖示位置,電渦流探頭感受到軸表面的位置變化,傳 感器激勵(lì)線圈的電感隨之改變,軸轉(zhuǎn)一圈,變化一次,振蕩器的頻率變化一次。通道檢波 器轉(zhuǎn)換成電壓的變化,從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。來(lái)自傳感器的脈沖信號(hào)經(jīng)整形后,由頻率計(jì)得到頻率值,再轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。圖4 利用電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)所需部件電渦流線圈、金屬渦流片(銅、鋁) 、電渦流變換器、測(cè)微頭、示波器、電壓表、差動(dòng)放大 器、電橋、砝碼實(shí)驗(yàn)步驟電渦流傳感器的傳感特性和靜態(tài)標(biāo)定:1 安裝好電渦流線圈和金屬渦流片, 注意二者必須保持平行。 安裝好測(cè)微頭, 將電渦流線圈 接入渦流變換器輸入端,渦流變換器輸出端接電壓表 20V 檔。2

6、開(kāi)啟儀器電源, 用測(cè)微頭將電渦流線圈和渦流片分開(kāi)一定距離, 此時(shí)輸出端有電壓值輸出。 將示波器接渦流變換器輸入端,觀察電渦流傳感器的高頻波形。信號(hào)頻率約 1MHz 。3 用測(cè)微頭帶動(dòng)振動(dòng)平臺(tái)使平面線圈完全貼緊金屬渦流片,此時(shí)渦流變換器的輸出電壓為 零,渦流變換器中的振蕩電路停振。4 旋動(dòng)測(cè)微頭是平面線圈離開(kāi)金屬渦流片,從電壓表開(kāi)始有讀數(shù)起每位移 0.25mm 記錄 個(gè)讀數(shù),并用示波器觀察高頻振蕩波形。將被測(cè)位移X、輸出電壓 V 的讀數(shù)填入下表,作出 V X 曲線,指出線性范圍,找出其最佳工作點(diǎn)并求出靈敏度。被測(cè)位 移 mm輸出電 壓V被測(cè)材料對(duì)電渦流傳感器特性的影響5 按 1 的方法重新安裝好

7、傳感器,開(kāi)啟電源。6 分別對(duì)鐵、銅、鋁被測(cè)體進(jìn)行測(cè)量,記錄被測(cè)位移X 、輸出電壓 V 的讀數(shù)。7 依據(jù)所記錄的數(shù)據(jù),在同一個(gè)坐標(biāo)下作出渦流傳感器對(duì)不同被測(cè)材料的傳感器特性曲線。8 分別找出傳感器對(duì)各種被測(cè)材料的線性范圍、靈敏度、 最佳工作點(diǎn), 并進(jìn)行比較。可得出 結(jié)論:對(duì)于不同被測(cè)材料,渦流傳感器的靈敏度、線性范圍都不相同,必須分別進(jìn)行標(biāo)定。電渦流傳感器稱重9 按圖 5 接線。圖5 電渦流傳感器稱重10 差動(dòng)放大器增益調(diào)為 1,輸出接電壓表 20V 檔。將平面線圈安裝在線性工作范圍的起始 點(diǎn)。調(diào)整電橋,使系統(tǒng)輸出為零。11 在測(cè)量平臺(tái)中間逐步增加砝碼,記錄被測(cè)重量和輸出電壓值。被測(cè)重量g輸出電

8、 壓V12 依據(jù)所測(cè)量的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),作出傳感器特性曲線,計(jì)算靈敏度。13 取下砝碼,在測(cè)量范圍內(nèi)從輕到重重新放砝碼,記錄被測(cè)重量、輸出電壓,并按輸出電 壓依據(jù)標(biāo)定曲線計(jì)算被測(cè)重量,進(jìn)一步計(jì)算絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差、精度等級(jí)。電渦流傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速14 電渦流傳感器線圈支架轉(zhuǎn)一角度,安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)盤上方,線圈與轉(zhuǎn)盤面平行,在不摩擦 的前提下距離越近越好。15 電渦流線圈與渦流變換器相接,渦流變換器輸出接示波器,開(kāi)啟電機(jī)開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速, 同時(shí)調(diào)整平面線圈在轉(zhuǎn)盤上方的位置,通過(guò)示波器觀察,使變換器輸出的脈動(dòng)波對(duì)稱。16 仔細(xì)觀察示波器兩相鄰波形的峰值是否一致,如有差異,說(shuō)明平面線圈與轉(zhuǎn)盤或者不平

9、 行、或者電機(jī)本身存在振動(dòng)。利用已經(jīng)獲得的鐵材料特性曲線可大致判斷不平行度。17 將電壓 / 頻率表 2kHz 檔接入渦流變換器輸出端,讀取脈動(dòng)波形參數(shù),并與示波器讀取的 頻率作比較。轉(zhuǎn)速為脈動(dòng)波形數(shù)的 50%。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基于電渦流傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求 設(shè)計(jì)以電渦流傳感器作為傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),使用該系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的固有振動(dòng)頻 率,對(duì)該系統(tǒng)被測(cè)振幅與輸出電信號(hào)之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定, 利用標(biāo)定后的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行振幅 測(cè)量并計(jì)算絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差、精度等級(jí)。將測(cè)量結(jié)果與差動(dòng)變壓器、自感傳 感器進(jìn)行綜合比較??捎觅Y源原實(shí)驗(yàn)儀上的所有資源, 如電渦流傳感器、 渦流變換器、 直流穩(wěn)

10、壓電源、 低頻振蕩器、 電橋、 差動(dòng)放大器、激振器等;振幅及頻率測(cè)量裝置;示波器。建議實(shí)驗(yàn)步驟1 移開(kāi)圓盤上測(cè)微頭使圓盤處于自由可振動(dòng)狀態(tài)。2 低頻振蕩器接入“激振 I ”,使圓盤振動(dòng)。注意保持適當(dāng)?shù)恼穹? 以電渦流傳感器、渦流變換器、直流穩(wěn)壓電源、低頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器等為基本部件,設(shè)計(jì)基于電渦流傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。師認(rèn)可后,方可通電。畫(huà)出電路圖,并按圖組成系統(tǒng)。 經(jīng)指導(dǎo)教4 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將平面線圈安裝在最佳工作點(diǎn),直流穩(wěn)壓電源置 10V 檔,差動(dòng)放 大器在這里僅作為一個(gè)電平移動(dòng)電路,增益置最小處( 1 倍)。調(diào)節(jié)電橋電路,使系統(tǒng)輸出 為零。5 接通“激振器 I”, 電壓 /

11、頻率表調(diào)至 2KHZ 檔階低頻輸出端,維持低頻振蕩器輸出幅值 不變,改變低頻振蕩器的頻率, 從 5HZ 逐漸增加到 30HZ ,記錄測(cè)量系統(tǒng)輸出的電信號(hào)幅值, 利用振幅及頻率測(cè)量裝置測(cè)量振幅、 振動(dòng)頻率。 最高電信號(hào)幅值所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率就是被測(cè) 對(duì)象的固有頻率。激振頻率 Hz輸出電壓 V振幅 mm振動(dòng)頻率 Hz6 在低于固有頻率的范圍內(nèi)任選一個(gè)激振頻率, 并維持不變。 先是從低到高、 而后從高到低 調(diào)整激振幅值, 記錄輸出電信號(hào)、 并用振幅及頻率測(cè)量裝置測(cè)量振幅。 如此反復(fù)測(cè)量幾個(gè)循 環(huán)。激振幅值 V輸出電壓 V振幅 mm振動(dòng)頻率 Hz7 更改激振頻率,重復(fù) 6 的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。8 以 6、 7的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),作出所設(shè)計(jì)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定曲線

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