文档介绍：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: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,。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(频率较高,一般为1MHz~2MHz)I1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,。图中R1、L1为传感器线
                 
     电涡流传感器原理图          电涡流传感器等效电路图
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:
Q=Q0{[1-(L2ω2M2)/(L1Z22)]/[1+(R2ω2M2)/( R1Z22)]}
式中:Q0 —无涡流影响下线圈的Q值,Q0=ωL1/R1;
Z22—金属导体中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。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后,并保持环境温度不变,则只与距离x有关。于此,通过传感器的调理电路(前置器)处理,将线圈阻抗Z、L、Q的变化转化成电压或电流的变化输出。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。
为实现电涡流位移测量,必须有一个专用的测量电路。这一测量电路(称之为前置器,也称电涡流变换器)应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如图22—2所示:
图22—2 电涡流位移特性实验原理框图
根据电涡流传感器的基本原理,将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数,用相应的测量电路(前置器)来测量。
本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路,电路原理如图22—3所示。电路组成:⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器,产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中,传感器线圈是