电涡流式电子秤课程设计

1、。大学课程设计说明书 课程名称 传感器原理与设计 题 目 电涡流式电子秤的设计 学院（系） 年级专业 学 号 学生姓名 指导教师 教师职称 院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目电涡流式电子秤的设计设计技术参数1、测量范围：010kg2、精度：0.013、电桥输出电压：05v4、工作温度：±20°C设计要求1. 理论设计方案及论证2. 电涡流传感器结构设计、理论分析、参数计算3. 测量电路设计、分析、参数计算4. 绘出传感器的结构示意图和测量电路图5. 结合传感器实验平台，将涡流传感器应用于称重：1）静态特性的测试，确定静特性指标2）分析

2、被测物体材料对电涡流特性的影响6. 提交课程设计说明书工作计划周1：文献调研，方案选择；周2：理论推导：根据设计指标进行系统分析，确定参数及验证；周3：敏感元件、传感元件设计、转换电路设计；周4：撰写设计说明书，准备答辩PPT；周5：答辩。参考资料1. 唐文彦 传感器（第4版）机械工业出版社 2007年2. 李科杰 新编传感器技术手册国防工业出版社 2002年3. 其他：传感器原理、接口电路、设计手册类参考书指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2015年 12月 25 日目录第1章 需求分析与方案选择11.1设计内容11.2 文献调研1

3、1.3 方案选择1第2章 理论设计及方案选择32.1 测量原理32.2 理论推导4第3章 测量误差8第4章 电涡流式传感器称重实验9第5章 设计收获13参考文献14传感器原理与设计 课程设计说明书第1章 需求分析与方案选择1.1设计内容电涡流式传感器是利用涡流效应来测量位移，再通过弹性元件把物体的质量转换为位移，然后通过电涡流改变线圈的等效电感，利用测量电路输出与电感有关的电压量。物体的重量与输出电压成一定的函数关系，在取其中的线性段，就可以从测量电路的电压直接读出质量。1.2 文献调研电涡流式传感器能实现非接触式测量，而且是根据与被测导体的耦合程度来测量，因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧

4、妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度、质量等可变换成位移量的参量。在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，

5、导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位。 电涡流电子秤就是利用电涡流测位移的原理设计的。1.3 方案选择电涡流式电子秤是利用电涡流式传感器设计而成。如图1-1所示，通过把物体悬挂在挂钩上，利用重力将物体的质量转换为金属片的位移，通过位移的改变是电涡流发生变化，使线圈的等效电感发生变化，通过桥式测量电路测得输出电压，就可以得到质量与输出电压之间的关系。其中是质量与输出电压线性化的初始端线圈距金属片的距离。图 1-1 电涡流式电子秤原理第2章 理论设计及方案选择2.1 测量原理（1）弹簧的选择：根据胡克的弹性定律，弹簧在发生弹

6、性形变时，弹簧的弹力F和弹簧的伸长量成正比，在设计电涡流式电子秤时，只要测出电涡流的线性位移，在根据质量的量程去选择合适的弹性系数k.（2）电涡流式传感器工作原理：电涡流式传感器是建立在电磁场的理论基础上而工作的。由电磁理论可知，在受到时变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。根据电磁场的理论，涡流的大小于导体的电阻率p、导磁率u、导体厚度t，以及线圈与导体之间的距离x、线圈的激励频率w等参数有关。固定其中若干个参数不变，就能按涡流的大小测量另外一个参数，电涡流传感器

7、就是按此原理构成的。电涡流式电子秤就是利用导体的电阻率p、导磁率u、导体厚度t，线圈的激励频率w等参数不变，只改变线圈与导体之间的距离x,使涡流的大小发生变化。图 2-1 电涡流作用原理及等效电路图（3）测量电路的选择：电涡流传感器测量的基本原理是当传感器线圈与金属片的距离发生变化时，线圈的等效阻抗变化，分别是阻抗Z，电感L，品质因数Q，它们都为的函数。因此，测量电路就是将等效阻抗的变化转换为输出电压的变化。相应的有三种测量电路：Q值测量电路；阻抗测量电路；电感测量电路。此次采用电桥法，测量电路如图2-2所示,初始状态时，电桥平衡，电桥输出为0。当线圈与金属片的距离发生变化，破坏了电桥的平衡，

8、使电桥输出量发生变化，在经过放大、检波后输出稳定的电压。图 2-2 测量电路2.2 理论推导 （1）质量与金属片的位移之间的关系：式中：K弹性元件的弹性系数（2）电感与金属片的位移之间的关系：通过查阅书籍得到下面这个公式 （3）电感与输出电压之间的关系图2-3 测量电路由测量电路图得： 有上面三式可得： 令 则 电源电压振荡角频率 故振荡器电源频率为 （4）由上面三个关系可以得到输出电压与位移之间的关系 式中： 测量电路电源电压 线圈的电感金属体等效线圈的电感金属体等效线圈的电阻线圈激励电流的角频率真空磁导率，N线圈的匝数r-线圈的外半径金属导体中电涡流短路线圈面积电感值与初始值相等的电感弹性

9、元件的弹性系数输出电压物体的质量由于严重缺少资料和知识能力有限，不能计算出具体的参数，此部分就此结束。7传感器原理与设计 课程设计说明书第3章 测量误差（1）测量材料对测量结果会产生标定误差；传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，使电路的等效阻抗发生变化，从而使输出电压变化，使测得的质量产生误差（2）电源频率不稳定，时贯穿深度发生变化，从而引起电涡流强度的变化，而使传感器阻抗发生变化，导致了传感器输出的变化而造成测量误差。（3）金属片形状和尺寸大小也会造成测量误差。由于探头线圈

10、产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对金属片表面大小有一定要求。通常，以正对探头中心线的点为中心，金属片直径应大于探头头部直径的1.5倍以上；金属片的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降，一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料，则灵敏度不会受其厚度的影响。（4）涡流分布对测量值的影响：涡流只存在于金属导体的表面薄层内，在径向也只有一个有限的范围内存在涡流，所以实际上存在一个涡流区。但是在推算涡流损耗功率时，曾

11、把涡流当作均匀分布来处理。这是不符合实际的。实际上，涡流分布是不均匀的、涡流区内各处的涡流密度是不同的。涡流范围随线圈外径 大小而变，并与线圈外径有固定的比例关系，线圈外径确定后，涡流范围也就确定下来了。在线圈外径处，涡流密度最大；在r以内，基本上没有涡流；在r=处，涡流密度将衰减到最大值的5%。因此金属片的半径要大于 。第4章 电涡流式传感器称重实验 （1）实验要求1）了解电涡流传感器称重的基本原理。2）通过实验验证被测物体材质对电涡流传感器称重的影响。 3）通过实验得物体质量与输出电压的关系。（2）实验目的学习电涡流静态标定方法，验证电涡流传感器测量系统的灵敏度与被测物体材质的关系。（3）

12、实验仪器主机箱中的15V直流稳压电源、电压表；、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、弹性元件、被测体(铁圆片)。（4）实验步骤按照实验电路图接好电路，并将弹性元件和电涡流传感器按照实物图安装好。将电压表量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源，记录初始电压值；然后每增加20g砝码，记录一个电压值，直到数据线性化被破坏停止实验。（5）实验实物图图4-1 实验实物图图4-2 实验实物图（6）实验数据记录表4-1 质量m与输出电压U数据m(g)020406080100120140V(V)1.892.212.542.883.243.593.944.27m（g）1601802002202

13、40260V(V)4.634.935.265.585.896.11(7)数据处理根据表4-1数据，利用MATLAB作出V-m实验曲线并拟合出直线， 图4-3 v-m曲线和拟合直线图图4-4 程序及拟合直线函数拟合直线方程为： 灵敏度 在线性范围范围内，电压满量程为 最大偏差由图可知，最大偏差处，横坐标；代入拟合直线得 ；最大偏差线性误差： 第5章 设计收获 在这次课程设计中，我也深深明白了合作的重要性。一个人的力量总是有限的，只有通过合作，我们才能更好更快的完成任务。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中

14、得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。参考文献1 唐文彦，传感器（第4版），机械工业出版社，2007. 2张三慧，大学物理学，清华大学出版社，2010.3费业泰，误差理论与数据处理，机械工业出版社，20104 王煜东，传感器电路应用400例，中国电力出版社，2008.5（德）阿勒斯，多传感技术及其应用，国防工业出版社，20016 赵继文，传感器及应用电路设计，科学出版社，2002.7 黄继昌，传感器工作原理及应用实例，人

15、民邮电出版社，1998.8 李科杰，新编传感器技术手册，国防工业出版社，2002. 9 刘君华，传感器技术及应用实例，电子工业出版社，2008.10 强锡富，传感器（第3版），机械工业出版社，2001.11 单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用，国防工业出版社，1999.12赵燕，传感器原理及应用，北京大学出版社，2010.15课程设计评分表基础成绩(团队成绩)(1) 设计说明书成绩： A. 设计方法规范，圆满完成设计任务，有深刻见解和亮点；（45分）B. 设计方法规范，圆满的完成了设计任务；（40分）C. 基本完成设计任务；（35分）D. 没有完成设计任务。（030分）(2) 答辩成绩： A. 完美地展示了设计方案，条理清晰，表达准确；（45分）B. 较好地展示了设计方案，表达准确；（40分）C. 基本展示了设计方案；（35分）D. 未能合理的展示设计方案。（030分）浮动成绩(个人成绩) （1）设计说明书： E. 认真完成了报告，表达完整、条理清晰、图表美观。（+1+5分）F. 较好地完成了报告，表达完整，无明显错误。（不浮动）G. 完成了报告，但有较多明显错误。（-5 -1分）H. 完成了报告，但条理不清晰，编排混乱，让人费解