檢測與儀表試驗5,6

本文格式為Word版，下載可任意編輯——檢測與儀表試驗5,6試驗五電容式傳感器的位移試驗

一、試驗?zāi)康模?/p>

了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。

二、基本原理：

1、原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來實現(xiàn)測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C＝εA／d關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇ε、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測枯燥度（ε變）、測位移（d變）和測液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本試驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖7—1所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=ε2πｘ／ln(R／r)。圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產(chǎn)生?X位移時，電容量的變化量為?C=C1－C2=ε2π2?X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)為常數(shù)，說明?C與?X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。

圖5—1試驗電容傳感器結(jié)構(gòu)

電容式位移傳感器試驗原理方塊圖如圖5—2

圖5—2電容式位移傳感器試驗方塊圖

三、需用器件與單元：

主機箱±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器試驗?zāi)０?、測微頭。

四、試驗步驟：

1、按圖5—3示意安裝、接線。

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圖5—3電容傳感器位移試驗安裝、接線示意圖

2、將試驗?zāi)０迳系腞w調(diào)理到中間位置(方法：逆時針轉(zhuǎn)終究再順時傳３圈)。3、將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0V，再轉(zhuǎn)動測微頭(同一個方向)6圈，記錄此時的測微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為試驗起點值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動測微頭1圈即△X=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)(這樣轉(zhuǎn)12圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填入表5(這樣單行程位移方向做試驗可以消除測微頭的回差)。

表5電容傳感器位移試驗數(shù)據(jù)X(mm)3.45V(mV)2823.952464.452004.951525.451034、根據(jù)表5數(shù)據(jù)作出△X-V試驗曲線并截取線性比較好的線段計算靈敏度S＝ΔV/ΔX和非線性誤差δ及測量范圍，試驗完畢關(guān)閉電源開關(guān)。

5.95496.4506.95-567.45-1107.95-163五、數(shù)據(jù)處理

1、用matlab繪制X-V曲線圖如下圖所示

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2、靈敏度計算用matlab進行線性擬合如下圖所示。

擬合直線y=p1x+p2p1=-100.4p2=642.9Δm=14.52故靈敏度S=ΔV/ΔX=p1=-100.4

非線性誤差δ=Δm/yFS×100%=14.52/445×100%=3.2629%

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試驗六電渦流傳感器位移試驗

一、試驗?zāi)康模?/p>

了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導(dǎo)電體—金屬渦流片）組成，如下圖。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時，線圈周邊空間會產(chǎn)生交變磁場H1，當線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈〞形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個短路環(huán)，這樣就可得到如圖中的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線

圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。

根據(jù)等效電路可列出電路方程組：

通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復(fù)阻抗為：

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線圈的等效電感為：

線圈的等效Q值為：

式中：Q0—無渦流影響下線圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；Z2—金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，Ｚ2＝R2+ωL22。

由式Z、L和式Ｑ可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Ｑ值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導(dǎo)體間距離x(H)的非線性函數(shù)。因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非線性函數(shù)。雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為\型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實Z、L、Ｑ的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、鼓舞電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。假使控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當電渦流線圈、金屬渦流片以及鼓舞源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，則只與距離x有關(guān)。于此，通過傳感器的調(diào)理電路（前置器）處理，將線圈阻抗Z、L、Ｑ的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。

為實現(xiàn)電渦流位移測量，必需有一個專用的測量電路。這一測量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量試驗框圖如下圖所示：

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根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數(shù)，用相應(yīng)的測量電路（前置器）來測量。本試驗的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測量電路，電路原理如下圖。電路組成：⑴Q1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號的幅值變化。⑵D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號中傳感器檢測到的低頻信號取出來。⑶Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。當無被測導(dǎo)體時，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且最高，對應(yīng)的檢波輸出電壓Vo最大。當被測導(dǎo)體接近傳感器線圈時，線圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移ｘ的變化。電渦流傳感器在位移、振動、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測量上得到應(yīng)用。

三、需用器件與單元：

主機箱中的±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；電渦流傳感器試驗?zāi)０?、電渦流傳感器，側(cè)微頭、被測體（鐵圓片）、示波器。

四、試驗步驟：

觀測傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個平繞線圈。調(diào)理測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度值與軸套上的5mm刻度值對準。按試驗指導(dǎo)書上的圖安裝側(cè)微頭、被測體鐵圓片、電渦流傳感器

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（注意安裝順序：首先將測微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內(nèi)，再將被測體鐵圓片套在測微頭的測桿上；然后在支架上安裝好電渦流傳感器；最終平移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相貼并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘），再按試驗指導(dǎo)書上的圖示意接線。

2、將電壓表量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無誤后開啟電源，記錄下來電壓表讀數(shù)，然后逆時針調(diào)理測微頭微分筒，每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入下表（在輸入端即傳感器二端可接示波器觀測振蕩波形）。X（mm）V0(V)X（mm）V0(V)X（mm）V0(V)X（mm）V0(V)X（mm）V0(V)5.01.976.05.12.076.15.22.176.25.32.276.35.42.386.45.52.496.55.62.606.65.72.706.75.82.826.85.92.936.93.043.143.253.363.483.593.703.813.934.057.07.17.27.37.47.57.67.77.87.94.164.274.374.494.584.694.804.915.025.148.08.18.28.38.48.58.68.78.88.95.235.345.445.555.665.765.865.966.066.169.09.19.29.39.49.59.69.79.89.96.266.366.466.566.666.736.816.906.987.0710.110.210.310.410.510.610.710.810.9X（mm）10.0V0(V)7.157.217.297.397.457.527.597.667.737.8011.111.211.311.411.511.611.711.811.9X（mm）11.0V0(V)7.877.937.998.068.128.188.238.298.358.407

X（mm）12.0V0(V)12.112.212.312.412.512.612.712.812.98.458.508.558.608.658.708.748.788.828.8613.113.213.313.413.513.613.713.813.9X（mm）13.0V0(V)8.908.948.989.019.059.089.119.149.179.2014.114.214.314.414.514.614.714.814.9X（mm）14.0V0(V)9.239.269.299.329.349.379.409.429.459.4815.115.215.315.415.515.615.715.815.9X（mm）15.0V0(V)9.509.529.549.579.599.619.609.609.609.603、根據(jù)表中數(shù)據(jù)，畫出V－X試驗曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域比較好的范圍計算靈敏度和線性度（可用最小二乘法或其它擬合直線）。試驗完畢，關(guān)閉電源。

五、試驗結(jié)果與分析

1、用matlab繪制X-V曲線圖如下圖所示

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2、靈敏度計算用matlab進行線性擬合如下圖所示。

選取線形區(qū)域比較好的范圍選取2組數(shù)據(jù)，其所在位置序列為：

1-45

即X為5.0-9.4

84-94即X為13.3-14.3

繪制曲線：

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第一組：

其次組：

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進行擬合：第一組：

擬合直線y=p1x+p2p1=1.079p2=-3.427Δm=0.0556故靈敏度S=ΔV/ΔX=p1=1.079

非線性誤差δ=Δm/yFS×100%=0.0556/4.69×100%=1.11855%

其次組：

擬合直線y=p1x+p2p1=0.3045p2=4.966Δm=0.0059故靈敏度S=ΔV/ΔX=p1=0.3045

非線性誤差δ=Δm/yFS×100%=0.0059/0.31×100%=1.903226%

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進行擬合：第