传感器实验重点

1、传感器实验精04张为昭2010010591实验二电涡流传感器变换特性一、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。二、实验装置及原理1 .装置图2.1电涡流传感器装置2 .原理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监测、金属材质鉴别、无损探伤等技术领域中。涡流传感器通常由扁平环形线圈组成。在线圈中通以高频（通常为2.5MHz左右电流，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

2、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。实验中采用了测量线圈自感量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。图2.2电涡流传感器原理三、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。(1被测金属板先采用铝板。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的数值于表2-1中。(2改变h并记下涡电流传感器相应的输出电

3、压峰峰值于表2-2中。(3改变h并记下测量电路最终的输出电压于表2-3中。2 .换上钢板重复1的步骤,注意钢板在与传感器距离很小时传感器无输出，调整距离至有输出时作为零点，再开始进行后续测量。3 .估测电涡流传感器的工作测量范围：铝板:1.5mm4 板:1.5mm(相对零点的位移四、数据整理及问题分析1 .实验数据整理h(m)00.10.20.30.405060.708fOcH:)铝板1079.021064.751049.88103541023251012.791003.28993.126981.155fOd(z)钢板861.139911.63939173935.76930.279258279

4、2205918.526915.2C6h(m)00.10.20.30.405060.708fOdiz)铝板1079.021064.751049.88103541023.251012.791003.28993.126981.155f(kHz)用板861.139911.63939173935.76930.2792582792205918.526915.2C6h(m)00.1020.30.405060.708fOd(z)铝板1079.02101751019.881035.41023.251012.791003.28993,126984.195削板861.139911.8939.173935.76930

5、.2792s.sr922.05918.526915.208h(ITBI)0fGdiz)错板1079.02fOcHr)钢板861.139h(m)00.10.20.30.40.5060.708峰峰值(V)铝板13.213.914.915.816617.217.9182184峰峰值V)钢板3.54.87.210.212.613.811815.516.3h(m)00.10.20.30.405060.708峥峰酒(V)铝板13.213.914.915.816617.217.918.218.1峰峰值V)钢板3.54.87.210.212.613811815516.3h(m)00.10.20.30.4050

6、60.708峰峰值(V)铝板13.213.914.915.816617.217.918.2184峰峰岬V)钢板3.54.87.210.212.613.811.815516.3h(wn)0峰峰值(V)铝板13.2峰峰值V)钢板3.5h(m)00.10.20.30.405060.708峰峰值(V)铝板13.213.914.915.816617.2179182184峰峰值V)钢板3.54.87.210.212613814.8155163h(m)11.11.2131.41511131.2输;H值(V)耨板7OST.ll7.127.11：.157.167.117.137.12输出值(V)钢板665639

7、6.967.027.047067.017.01&.9Sh(jm11.11.21.31.41.5LI1312输出值(V)耨板7QSr117.127.14：157,167.117.137.12输出值(V)铜板6656396967.027017.067.047.01&96hGin)1输出值(V)耨板7oa输出值削板6652 .数据处理及分析传感器输出频率与h的关系如图2.3所示h(1m)1it1213141.51.4输出值(V)铝板7097117.127.117.JS7,167.H输出值(v)钢板66568$6967.027.047067.04h(imi109G.S070.6050.

8、1输ill值(V>用板7oav.oe703699&826516.22输出侑(V)6.676395.15.765.35l.SG1.27图2.3传感器输出频率与h的关系图2.4传感器输出信号的峰峰值与h的关系传感器电路最终的输出值与h的关系如图2.5所示27r4LC数据分析：由以上三个曲线可以发现：(1电涡流传感器的滞回现象不明显；(2测量铝板时，频率随距离增大而降低，这是因为铝为非磁性材料，线圈等效电感221222222MLLLRL-由申第一项不变，第二项代数值随距离增加而增加，由于f=，频率下降。而在测量钢板时，频率先上升再下降，这是2/LC因为钢为磁性材料，有效导磁率影响的电感

9、L1随距离增大而减小，电涡流产生的电感的代数值-L2w2M2R22+w2L2随距离增大而增大，二者叠加，导致总的线圈等效电感随距离先减小后增大，使频率先增大后减小。同时注意到距离很近时钢板的频率测试有滞回现象，这可能是因为钢板为导磁材料，测量时产生的电涡流大，发热温升高，使电感发生了变化(增大。(3两种材料的电压输出均随距离增大而增大，但均有饱和区。铝板的上升段线性度较好，钢板则分成了两端线性度较好的部分，第一段灵敏度高，第二段灵敏度低。(4铝板频率及电压始终高于钢板且频率灵敏度比钢板高。这是因为铝的导电性好,可以产生更大的感应电流和感应磁场，使电感较小且变化较快，由式f=可知此时灵敏度高，也

10、正是因为铝板的导电性好，感应电流和磁场大，所以输出的电压也大。3 .误差分析(1由于读数使用数字设备，输出数据老是跳动，可能会导致读数结果与实际不符。(2板与传感器并不是完全平行放置，距离测量存在误差。(3由于钢板的零点为调整后得到，所以它的输出和铝板比较得到的结论会存在一定的误差。(5由于感应电流产生热量使板温度升高，可能导致导磁率发生变化而产生误(6钢板输出电压的饱和区到达较晚，测试范围较大。4.实验中问题的讨论实验中发现测量钢板距离时需要达到一定距离以上之后系统才会有输出。分析原因可能是钢板在距离传感器太近时线圈等效电感太大，以及涡电流热产生的温升太高使输出太小不能被系统识别而显示为零输

11、出。五、思考问题1 .前置器是如何产生高频率振荡电压的？振荡频率主要由哪些元件决定？传感器到前置器之间的电缆为2米,若增加1米，有何影响？(1前置器内是电容三点式振荡电路和射极输出器，由此电路产生高频率振荡电压。前置器内部前级的电容三点式振荡电路输出高频振荡电流，通过LC振荡电路产生交变磁场，后级的射极输出器将传感器产生的振荡电流和输入振荡电流叠加并跟随,并降低前后级连接带来的负载效应，另外，通过调整输入输出电阻的大小关系可以降低外界对输出信号的干扰作用。(2振荡频率主要由前置器内部的电容、电阻和电感元件决定。(3若传感器到前置器之间的电缆长度增加1米，则由电缆引入的杂散电容增大,对振荡电流将

12、产生干扰,由式f=1/2pLC,最终的输出频率将减小，而由于射极输出器的跟随作用，幅值不会产生变化。2 .前置器到电源之间及到调频输出之间用一根单芯电缆，具上传输着几种信号？他们是怎样分离的？线路中1212LLCC、起什么作用？采用单芯电缆有什么好处？(1前置器与电源和调频输出之间的一根单芯电缆上传输着两种信号，一种是由传感器输出的高频交流振荡信号，一种是直流电源的直流信号分量。(21212LLCC、构成滤波电路，产生的振荡信号与原传感器中的振荡信号相互抵消，从而将(1中两种信号分离。(4采用单芯电缆的好处是可以减小杂散电容，减小干扰o3 .传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输

13、出有无影响？为什么？加入金属板是否也无影响？(1传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出无影响。因为这些材是不导电的，所以不会产生感应电流和感应磁场而影响感应磁场的分布规律情况。(2加入金属板有影响。因为金属是导体，在交变磁场中会产生感应电流即涡电流，从而产生一个磁场，对原磁场产生影响，影响输出。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？由所得数据发现：铝板输出频率的灵敏度比钢板的高，因为铝板与传感器构成的等效电感随距离的变化更大，所以在移动相同距离时输出频率和输出电压变化更大,灵敏度更高。同时在实

14、验中还发现，钢板距离测量时有最小值的限制，不能从零开始，但钢板的测试范围更大。因此在用电涡流传感器测距时，应根据灵敏度和使用范围选用不同材质。5 .实验中所用传感器的可测范围为多少毫米？一般的涡流传感器的测量范围是多少？(1依照线性测量的原则，由输出曲线可得实验中所使用传感器的可测范围是:铝板约01.5毫米，钢板0.10.4及0.41.2毫米两段。(2一般的涡流传感器测量的距离可为030mmmm,频率范围为4010HzHz，线性误差约为1%3%,分辨率最高可达0.05m。实验四悬臂梁动态参数测试一、实验目的及要求本实验主要目的是培养同学面对实际测试任务，自己独立实施实验的能力。要求同学综合运用

15、已学知识，构思自己的实验方案一一如何组成测试系统；选用哪些仪器及设备；在该系统中起何作用？实验要求为：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。二、实验仪器1.功率放大器2.激振器3.信号发生器4.加速度传感器5.涡流传感器三、实验任务现有一日!钢板，长L=40cm，宽c=5cm，厚b=0.5cm。用它做成插入端悬臂梁（如图4.1所示图4.1悬臂梁外伸臂长可调节成两种长度：长L1=25cm,L2=20cm1.试计算该两种长度下悬臂梁的一阶固有频率0f0已给出插入端悬臂梁固有频率0f的计算公式为:0f=式中：26222

16、01.875(/1.710/(/阶振型时一一悬臂aaLcmEkgfcmEkgfcmIkgfscm=?振型常数,梁外伸长度一一梁的弹性模量一一梁的截面惯性矩梁的尺寸为：L可调横截面积为：bc代入数据：332405(0.50.0525.2101212cbIcm-?=?rL=rVibic=7.8(g/cm30.55(cm'2=19.5(g/cm=19.510-3kg/cm式中Vp为梁的单位体积质量，将kg化为工程质量的单位：211/9.8kgkgfsm=?2352219.51101.9910/9.8kgfsLkgfscmmcm,-?=?=?故:L=25cm时,f0=59.67HzL=20cm

17、时,f0=93.23Hz3.设计一个测试系统，用实验的方法实测这三种长度的悬臂梁的一阶固有频率0f,阻尼率q(a实验原理方法在本实验中采用两种方法进行测量：(1脉冲相应法：在悬臂梁的悬臂端安装传感器，将信号通过示波器显示出来进行观察和测量。要产生脉冲相应，可以通过手或刚性物件(如钢尺等敲击悬臂梁末端,模拟脉冲激励，则欠阻尼系统的响应曲线如图4.2所示，脉冲相应函数为y(t=-zwntsinwnt(L其中:z?ln(xxn2pn图4.2欠阻尼二阶系统脉冲响应依据输出曲线上的数据点，可以求出阻尼比，再依据式:n二可以求出固有频率(2频率响应法：欠阻尼输入不同频率的正弦波时，有关系式:ArA0=其中

18、Ar为谐振峰值,A0为0频率处幅值。依此可求出阻尼比。又有wn其中wp为谐振频率。依此可以求出固有频率(b测试系统框图(1脉冲响应法框图：(2频率测试法框图(c仪器设备作用敲击物(扳F等)产生近似脉冲激励压电式速度传感器实时检测梁在振动时的加速度示波器记录振动波形并测量激振器产生连续的振动功放将信号发生器产生的信号放大用以推动激振器信号发生器生成不同频率的正弦波(d(1脉冲激励测量时，要以第3、4个波峰作为起点进行计算以减小最初响应中高频部分的干扰。且要多隔开几个波峰测量以减小误差。(2敲击生成脉冲激励时要注意选取合适的敲击物以保证实际激励与脉冲的近似度较高。(3使用信号发生器时注意生成的为正

19、弦波且输出频率数量级正确。(4激振器的位置及与梁的距离要合适。四、数据处理及分析1.实验数据及处理(1脉冲激励法梁氏L/cm2025第三个波峰值xl/mV102228第九个波峰值x7/mV1092平均周期T/IH51419-8L=20cm时,阻尼比:z?ln(xx2P7'=0.0213固有频率：f=71.44HzL=25cm时,阻尼比：z?ln(xx72p7=0.0206固有频率：f=50.52Hz(2频率测试法L=20cm梁氐L/cm2025第三个波峰值xl/mV102228第九个波峰侑1092梁IkL/cm2025第一:个波峰值xl/mV102228第九个波峰值4/mVW92E*M

20、fa梁长L/cm20q第三个波峰值xl/mV1024第九个波峰值丁/mV404TrF/IIII44I幅频特性曲线如图4.3所示Ju(一汗+4z(:图4.3L=20cm时的幅频特性曲线由曲线可知谐振频率为72.4Hz，由于系统阻尼比很小，所以可以认为谐振频率就是固有频率已知幅频关系式：A(w=i（）2-+4:（y则通过已知数据和固有频率拟和求得阻尼比约为0.0224。比较两种方法的结果。发现二者相接近。2.数据分析(1梁振动的阻尼随梁长变化不大(2梁越长，固有频率越低(3梁振动的固有频率得测量值与计算值存在一定误差，原因是:a.梁长读数可能不准；b.示波器显示曲线的测量由于毛刺存在而不够精确；c

21、.测量时峰值受高频干扰影响较大补充实验光纤传感器位移实验实验目的了解光纤位移传感器的特性及工作原理。二、实验原理本实验仪中所用的为传光型光纤传感器，光纤在传感器中起到光的传输作用因此是属于非功能性的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用，其工作原理如下图所示光纤传感器实验模廿实验装置-151V光纤位移传感器测量系统。+1&V光纤传:一*II旧二.如光纤探头光纤位移传感器模块实验仪器主要包括：光纤探头、光纤位移传感器模块（光电变换器、放大稳幅电路、红外发射及检测电路反射物、示波器及万用表。四、实验内容及步骤1 .观察光纤结构：一支发射、另一支为接收的多模光纤为半

22、圆形结构，光纤质量的优劣可通过对光照射观察光通量得出结论。光电传感器内发射光源是近红外光，接收近红外信号后经稳幅及放大。判断光电变换器中两个安装孔具体哪一个为发射，哪一个为接收。两根光纤均装入光电变换块中的孔内，装入时注意不要过分用力，以免影响到变换块中光电管的位置。分别将光纤探头置于全暗无反射和对准较强光源的照射，调整电位器w1和w2,使光纤变换器输出电压应分别为零和最大值。2 .测量光纤传感器的输出的电压v与距离h之间的关系选定反射板，将其安装在千分尺的尺端并紧固；转动千分尺使反射板与传感器端面接触即h=0,记下相应的输出电压值，然后改变距离h并记下相应的输出电压值。注意事项：光纤三端面均

23、经过精密光学抛光，其端面的光洁度直接会影响光源损耗的大小，需仔细保护。禁止使用硬物、尖锐物体碰触，遇脏可用镜头纸擦拭。如非必要,最好不要自行拆卸，观察光纤结构一定要在实验老师的指导下进行。五、数据处理及分析h/mm0010-20.30.40.50.60.7用板输出电压/V00.451.021.552.112.37883.6铜板输出电FR/v00.571.19L632.092.523.074.07h/mm0010-20.30.40.50.60.7铝板输出电压/V00.45L021.552.112.372.883.6铜板输ilpUJh/v00.571.19L632.092.523.071.07两种板输出特性曲线如图5.1。10987654321000.511.52吕板电压/V铜板电压/V图5.1两种板的输出特性曲线数据分析：由实验结果及输出特性曲线可知：（1）在测量的范围上，铜板的灵敏度高于铝板；（2）光纤传感器测量的线性度较好。六、思考题1.所测光纤位移传感器的测量范围是多少？铝板为00.9mm及1.11.5mm灵敏度不同的两段，铜板00.8mm。但由输出曲线可见二者均为饱和，说明测量范围比实验的范围要大。2.光纤