测试传感器实验报告.doc

精91 李肇堃 2009010498实验二 电涡流传感器变换特性实验目的1. 了解电涡流传感器的结构，工作原理及应用；2. 了解电涡流传感器调频电路的特点，测试电涡流传感器变换特性。实验装置及原理：实验装置如下实验原理: 电涡流传感器是七十年代以后发展较快的一种新型传感器。它广泛应用在位移振动检测，金属材质鉴别，无损探伤等技术领域。涡流传感器通常由扁平环形线圈组成。在线圈中通以高频电流，则在线圈中产生高频交变磁场。当导电金属板接近线圈时，交变磁场在板的表面层内产生感应电流即涡流。涡电流又产生一个反方向的磁场，从而减弱了线圈的原磁场，也就改变了原线圈的自感量L，阻抗Z及Q值。线圈上述参数的变化在其它条件不变的情况下仅是线圈与金属板之间距离的单值函数。实验中采用测量线圈自感量L的调频电路，即把线圈作为谐振回路的一个电感元件。当线圈与金属板之间距离h发生变化时，谐振回路的频率f也发生变化，再用鉴频器将频率变化转换成电压变化输出。其中调频，调幅线路如下图实验内容及步骤1. 测量前置器输出频率f与距离h之间的关系；输出电压v与距离h之间的关系被测金属板先采用45#钢，转动微调机构或千分尺使金属板与传感器端面接触即h=0，记下相应的输出信号频率，然后改变h并记下相应的输出频率f的数值改变h并记下相应的输出电压值2. 换上铝板重复1的步骤数据处理：数据表格如下：（此处距离为从远处靠近铝板的长度）铝板钢板距离/m频率/KHZ电压/mv距离/m频率/KHZ电压02777.738402666642002738.53961002654122400270431546002674.34123002633.21828002649.54184002624.120410002628.24225002615.621812002611.74266002607.823514002597.34287002600.424616002584.24288002593.726018002573024289002587.727220002563.942810002582.22842200255642811002577.228824002548.742812002572.329626002542.642813002567.630628002536.942814002563.531430002532.242615002559.53193200252842816002555.932434002524.242817002552.333236002520.84261800254933438002517.842619002546340对于铝板而言：对于钢板而言结论及误差分析：1. 由图可知输出振动的频率随着探头与板距离的减小而降低。这两个量之间可以建立单值对应的关系。由输出频率可以得出探头与板之间的距离。2. 对于钢板和铝板，输出电压随着探头与板距离的减小而减小。具体原因为等效电感的大小随着减小，谐振频率随之减小。3. 对于铝板来说，其频率变化的幅值大小比钢板敏感，这与材料的是否为磁性材料相关。4. 根据实际测得的结果，铝板的电涡流传感器的测距范围为0-0.6mm，钢板电涡流传感器的测距范围为0-0.5mm5. 误差分析可知，实验中用钢尺测量距离，读数误差和测量误差都很大。且手握金属板无法保证完全静止，也会带来误差。另外频率计的读数也存在一定的误差。思考题1. 前置器是如何产生高频振荡电压的？振荡频率主要是由哪些元件决定的？传感器到前置器之间的电缆为2米，如增长1米，会有什么影响？答：涡流传感器线圈中通有高频电流，产生了高频交变磁场。当导电金属板接近线圈时，交变磁场在板的表面层产生感应电流即涡流。涡流又产生一个反方向的磁场，从而减弱了线圈的原磁场，也就改变了原线圈的自感L、阻抗Z及Q值。线圈上述参数的变化在其他条件不变的情况下仅是线圈与金属板之间距离的单值函数。实验中采用了线圈自感L的调频电路，即把线圈作为谐振回路的一个电感元件。当线圈与金属板的距离h发生变化时，线圈自感L发生变化，谐振回路的频率f发生变化。再用鉴频器将频率变化转换为高频振荡电压输出。谐振频率，主要由涡流传感器中线圈的自感L和电容C决定。前置器的结构如下图所示。大概可以分为两级：左边框内（包括传感器）是一个三点式振荡电路，是产生高频振荡的核心部分，而右边框内电路是一个源极跟随器。高频振荡电压由三点式振荡电路产生，通过一个微小的扰动，放大形成高频振荡电路。振荡的频率取决于振荡电路的电容C和电感L。其中，L和C均包含电缆和传感器的电感和电容。电缆不考虑其电感，但与大地之间形成一定的电容，如果增长电缆，这一电容将会增大，使得振荡频率减小。2. 前置器到电源之间及到调频输出之间共用一根单芯电缆，其上传输着几种信号？它们是怎样分离开的？线路中起什么作用？采用单芯电缆有什么好处？答：这条单芯电缆既作为调频输出线又作为电源线，因此传输着两种信号：一种是通过源极跟随器输出的高频振荡信号，另一种是电源提供给两级电路的直流偏置信号。L1的作用是阻止高频振荡信号流入两个三极管的集电极干扰其正常工作；L2则用于防止交流信号干扰损坏电源。C1、C2用于传输交流信号、阻断直流信号，将源级跟随器的信号输出。3. 传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出有无影响？为什么？加入金属板是否也无影响？答：传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，改变介质的导磁率，但影响很小，它们基本不会影响磁场分布，不会影响感应电流，对频率输出无影响。加入金属板，影响了磁场分布，从而影响感应电流，影响了线圈自感L。4. 由所得数据绘制出曲线，分析不同测试对象的材质对涡流传感器使用上有何影响？（铝材质与45钢材质在范围及灵敏度上有何不同。）答：铝的电导率比铁的要小，相应的电阻也比较小，因此产生的涡流比较大。这样，铝板测量的灵敏度就要比铁板高。从图线中也可以看出，铝板曲线的斜率更大一些，说明其更灵敏。由实验数据可知，铁板传感器的灵敏度大于钢板灵敏度。钢板电涡流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。铝板电涡流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。测量范围都在1cm以内。5. 实验中所用传感器的可测量范围为多少毫米？一般的涡流传感器的测量范围是多少？答：钢板电涡流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。铝板电涡流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。一般涡流传感器测量范围可达0到3cm。实验三 电动力式速度传感器的校准实验目的： 1. 熟悉电动力式传感器的工作原理和应用范围2. 了解传感器绝对校准的工作原理；标定电动力式传感器的灵敏度，幅值线性度，幅频特性，固有频率等实验装置及原理：实验装置实验原理新制造的电动力式传感器需要对其参数和性能进行标定，以便检查是否合乎设计要求。另外随着时间和周围环境的变化，使用中的传感器的参数也会有所变化，也需要进行定期的校核。校准项目因传感器类型，使用条件，精度等各有差异，其中最重要的有灵敏度，幅值线性度，频率响应函数等。校准方法有绝对校准法和比较校准法两种。本实验采用的绝对法就是用高精度的仪器和装置产生并测量传感器的输入信号，改变输入信号的频率就可以测出传感器频率特性。该方法的特点是精度高但是设备复杂。实验内容及步骤：1. 电动力式速度传感器灵敏度标定 在35HZ正弦信号之下，调整信号发生其的输出电压，并调整功率放大器的输出电压，是标定的幅值为100m，记下传感器的输出电压。双振幅由光学显微镜读取，并在示波器上观察激振器和传感器输出信号的波形及相位差，记录数据2. 幅值线性度标定 在35HZ正弦激振之下，调整标定台双振幅，记下传感器相应输出电压。记录数据根据公式求出灵敏度及幅值线性度，并用最小二乘法求出幅值线性度。3. 保持双振幅2A=100m，改变激振频率，记录相应的输出电压。并计算出在不同激振频率下速度传感器的灵敏度并绘制出扶贫特性曲线4. 传感器相频特性实验数据整理：1. 电动力式速度传感器灵敏度标定次数双振幅2A（um）输出电压V（mV）灵敏度S（mV/cm/s）110010801389210011101427310010801389平均10010901402注：数据表中输出电压为峰值电压。结论：在35Hz的正弦信号下，传感器灵敏度为1402 mV/(cm/s)。2. 幅值线性度标定双振幅2A(um)100200300400500输出电压U1(mV)10802120324042405360输出电压U2(mV)11102160320042805400平均输出电压U(mV)10952140322042605380作输出电压与振幅之间的关系曲线如下图：（1） 求灵敏度由输出电压与振幅之间线性回归可知：。从而（2） 求线性度由最小二乘法拟合得输出电压U与双振幅振幅2A之间公式为。 则拟合值与测量的平均输出电压值如下序号12345双振幅2A(um)100200300400500拟合值U(mV)10812150321942885357平均输出电压U(mV)1095214032204260538014-10-1-2223 最大偏差线性度3. 绘制传感器幅频特性曲线实验数据如下表：可以看出，f=19HZ时出现一个大峰值，f=13HZ时出现一个小峰值。因为固有频率公式，所以较小的频率是质量较大的试验台的固有频率，较大的频率是质量较小的传感器的固有频率。即传感器固有频率为19Hz。试验台固有频率为13Hz。误差分析：1、传感器安装在试验台上，使得试验台的固有频率有所改变，从而造成对于某频率的响应与没有安装传感器时的不同，由于安装了传感器，使得系统质量增加了，测得的固有频率减小；2、其他组的实验设备在以某个频率振动，势必会通过试验台的接触或地面的传导影响本组的振动情况，特别是在接近本组试验台固有频率的时候，影响更大；3、在测量过程中，保证双振幅靠的是观察显微镜内“亮点”移动形成的“亮线”的长度，目视本身存在较大的实验误差；4、示波器显示的输出电压，有时会有上下的浮动，这就给读数带来了很大的误差。思考题1. 相对式校准法原理是什么？有什么优缺点？答：相对式校准法的原理是利用一个标准的传感器作为参考，来校准目标传感器。作为参考基准的传感器应是经过绝对校准法校准过的或是经高一级的相对校准法校准过的，亦即它应具有更高的精度。与绝对校准法相比较，相对式校准法原理简单易懂，操作方便；但是，精度却不如绝对校准法高，而且其适用的振幅和频率等参数的范围也受到参考传感器技术指标的限制。2. 传感器的固有频率是多少赫兹？根据什么？答：由灵敏度随频率变化曲线可以看出，时出现一个大峰值，在时出现一个小峰值。因为固有频率公式，所以较小的频率是质量较大的试验台的固有频率，较大的频率是质量较小的传感器的固有频率。即传感器固有频率为35Hz。试验台固有频率为13Hz。3. 实验中的待校速度传感器在什么范围使用？答：由灵敏度随频率变化曲线可知：在和的两端分别有较好的线性程度。符合传感器的使用要求，即待校速度传感器使用范围是或。实验四 悬臂梁动态参数测试实验目的1. 测试悬臂梁的动态参数2. 掌握传感器，激振器等常用振动测试设备的使用方法3. 了解振动测试的基本方法和系统构成4.理论计算：悬臂梁固有频率计算公式为其中a为振型常数，一阶振型时a=1.875.L为悬臂梁外伸长度，E为梁的弹性模量。为梁的截面惯性矩。根据实验的实际情况 L=21.2cm b=5.5mm c=49.5mm I的计算公式为 单位质量转换为工程质量单位为计算固有频率得 设计测量悬臂梁的一阶固有频率及阻尼率：1、原理使用加速度传感器，给悬臂梁一个脉冲（实验证明用较柔软的东西敲击悬臂梁比较好），观察其振动曲线，通过测量出其振动，计算得出悬臂梁的固有频率和阻尼比。2、系统框图：3、 计算：在单位脉冲输入下系统的脉冲响应函数，在欠阻尼情况下为：曲线的衰减频率为可求，阻尼较小的情况下可以求出阻尼比：。实验数据处理：振动次数12345波峰值（mV）22896644840波谷值（mV）-156-80-56-4840令n=5，可得：而振动的波峰时间间隔为振动次数123456时间间隔/ms11.612.412.812.011.611.6则衰减频率为则悬臂梁的固有频率而实验测得的频率与振幅的数据表格如下f振幅63.96.473.911.875.91478.921.279.926.880.933.681.945.282.