传感器原理及应用课程设计解读

1、传感器原理及应用课程设计题目： 被测体材质对电涡流传感器的特 影响实验研究学 生：赵玉洲学号： 20120841011086年级： 2012 级专 业：电气工程及其自动化指导教师：李俊峰邯郸学院机电学院2015 年 6 月目录工作原理应用实验设计方案实验结果与分析结论电涡流传感器的工作原理根据 法拉第电磁感应 原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作 切 割磁力线 运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导 体内将产生呈 涡旋 状的感应电流 ，此电流叫电涡流，以上现象称为 电涡流效应 。 而根据电涡流效应制成的传感器称为 电涡流式传感器 。PR3300电涡流传感器的前置

2、器中高频 振荡电流 通过延伸电缆流入探头线圈，在 探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属 表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反 的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈 高频电流 的幅度和相位得到改变（线 圈的有效阻抗），这一变化与金属体 磁导率 、电导率 、线圈的几何形状、几何 尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金 属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属 导体系统 的物理性质 可由金属导体的电导率 、磁导率 、尺寸因子 、头部体线圈与金属导体表面 的距离 D、电流强度 I 和频率 参数来描述

3、。则线圈特征阻抗可用 Z=F（, , , D, I, 函）数来表示。通常我们能做到控制 , , ,这 I,几 个参数在一定范围内不 变，则线圈的特征阻抗 Z 就成为距离 D的单值函数 ，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。于此，通过 前置器电子线路的处理，将线圈阻抗 Z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距 离 D 的变化转化成电压或电流的变化。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。工作过程当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的 Q 值也发生变化，

4、Q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、 滤波、线性补偿、 放大归一处理转化成电压 （电流）变化，最终完成机械位移 （间 隙）转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传 感器系统的一半，即一个 电涡流位移传感器 的性能与被测体有关。电涡流传感 器工作原理如图所示按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两 类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对 位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另 外还具有体积小，灵敏度高， 频率响应 宽等特点，应用极其广泛。相关产品

5、PR3300系列电涡流传感器是基于 涡流效应 的原理制成的非接触式 位移传感器 ， 是目前国内技术指标最高的电涡流传感器之一。该传感器由探头、加长电缆、 前置器组成，可用来测量旋转机械轴的各种运行状态参数：如轴的径向振动、 轴向位移转速、偏心、 差胀 等。电涡流传感器的特点是结构简单，丛于进行非 接触式的连续测量灵敏度较高，适用性强。它的阻抗受睹多因素影响如金 属材料的厚度、尺寸、形状、吧导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定 其他冈京就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素，冈此电涡流传感器的 应用领域 E 们泛。似闹时包带来许多不确定冈素一个或几个因素的微小变 化就足以影响测量结果，所以

6、电涡流传感器多用于走件测量。即使要用作定量 测量，也必须采用前面述及的逐点林定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。 下血就几个主要的应用做简单的介绍。应用1、位移的测量某些旋转机械，如高速旋转的气轮机对轴向位移要求很高。当气轮机远行叫， M片在高压 蒸气候动 F高速旋转，它的主轴承受巨大的抽 N 惟力。若主抽的 位移越过规定值时，叶片有 nT 能勺其他部件碰樟而断裂。因此用屯涡流传感 器测量各种金属 1 飞牛的微小位移量就显得卜分 至给。利用电涡流探头 4 盯 以洲旦谙 AII 气轮机主轴的轴向位移、 LU 动机的轴向审动、磨床换向 阀、先 寻阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。伙穆测量范判可以从

7、高灵敏度的 o 一 1mm 到 大量程的 o一 3）mnb 分辨率可达满里程的 o1，其缺点足线件皮 稍差。只能达到 1 GZXwY 型吧涡流轴问位移监测保护装置可以在恶劣的环境 （ 如高温、潮湿、剧烈振动等）6 9 所示。露 F 接触测量利监视旋转机械的钠向位移。轴向位移的收测如图杯设备停止检修时，将探头安站在与联轴器端四的距离为 2nun的基应 L，调节 二次仪表 使示值为塔。当气轮机启动后，长期检测其轴向位移量。 dj 以发现， 内于铀向推力和轴承的磨 损川使探头 J联劝器端而的队离 5 减小，二次仪表 的输出屯乐小零开娇增大。可调整二次仪 表去而上的报警设定位使什移钽 电容达到危险值

8、（本例中为 o 9mm）叫，一次仪表发出报警信号；当位移量达到 12mm 时发出停帆信号以避免发生事故。 广述测量属于动态测量。 原理 还可以将此类仪胎用于其他设备的监测。 电涡流传感器 DJ 以元接触地测 量各种振动的振幅、频谱分布等参数。在气轮机、空气压缩 机个常用电涡流 传感器来监控主轴的径向、轴向振动，也可以测量发电机涡流叶片的振幅。在 研兜机器振动时，常常采用多个传感器放置公机器不同部位进行检测，得到各 个部位的振幅 值、相位值，从而画出振则图，测量方法如图 6 10 所示。通 常，由了机械振动是由多个不同频 率的振动合成的，所以其波形一般表尔正 弦波，可以用频谱分析仪来分析输出信号

9、的频率分布，各对应频率的幅度。2、转速的测量若旋转体上已另：有一条或数条槽或做成齿状，则可在旁边安装一个电涡流 传感器、如图 611 所示。当转轴转动时，传感器周期地改变着与旋转体表面 之 间 的 距 离 。 于 是 它 的 输 出 电 压 也 周 期 地 发 生 变 化 ， 此 脉 冲 电压信号经放大、变换后，可以用频率汁测出其变化的 重复频率，从而测出转轴的转速， 若转轴上仆： 个槽 （或齿）、频率计的读数为 （节仰为 tlz），则转轴的转 速 n（单位为 r rnin） 的计算公式为 gg、坡层厚度测量用电涡流传感器可以测量翅料友面金届镀层的厚度。以及印刷线路板铜箔的厚度等， 如图 61

10、2所示：由于存在集队效应， 镀层或箔层越南， 屯涡流越小。 测量创， uJ 先用电涡流侧厚 仪对标准的镀层和铜箔作出“厚度输出电压”的标定曲 线以便测量 nd 对照。3、电涡流式通道安全检查门 我国于 1981 年八始使用图 6 NXP 代理商监所示的汽 人口检测系统可伶效地探测出枪支、 b 首等 分届武器反其他大件金属物品。 它广泛府灼于机场、海关、钱币 J、版狱等层蟹场所。1）指示灯 2）隐蔽的金居导体 3）内藏式电涡流线圈 4）X 光及中 了探测器处理 系统 L 液晶彩显 该安全检测门的原理如图 614 所不。Ll、 Lt 2 为发别线圈，均用环氧树脂浇灌、密封在 门框山。川 kH z

11、音频信号现过 L、L”在线圈周围产生同频率凶交变磁场。蜘、 Ln 实际广分 成 6 个扁平线 园，分布 l 门两侧的上、中、下部位形成 6 个探测 K。因为 Lil、L12与 L 2 ，、 Ln 互 TI 代理相垂直呈电气正交状态 v 无磁路交链刀。 o。在行 合届物体退 过 LL J、L12 形成的交变磁场 HI 时，交变磁场会在该金属导体农 面，：牛电涡流。电涡流也将产 生个新的微弱磁场 H2 。认的相位与企届 导体位置、大小等有关，但与蜘 l 、In 个再厂交。 因此盯以在山、 J中感 应出电压。计算机根据感应出电压的大小、相位来判定企届物体的 大小。 出于个人携带的 H 常用品，如皮带

12、扣、钥匙华、眼镜架、戒指、甚至断腿个的 钢钉等也会引 起误报警，因此计算机还要进行复杂的逻辑判断，才能获得既 灵做义可靠、隙确纳效果。 目前多公文检门的侧面女装一台“软 X 光” 扫描仪。肖发现疑点时，可六功对人体、胶卷 元音的低能量狭窄扇间 X 削线， 进行断向扫描。用软件处理的方法、合成先整的光学图像，见 图 513 右边 显示器上的示意图。 在更“格的安检中，还在安检门的侧面安置能量 微弱的小于发射管、对可疑刘象开启咳站 置。让个子穿过密讨的行李也，利 用质谱仪来计算出行李物品的岔氮量，以及碳、氢的精确比 例，从而判定是还可以确认否为爆 ATMEL 代理炸品（氮含量较大 ）。计算共他化学

13、元素的比例， 商品和共他 物质。利用电涡流传感器可以检企金届表 6f(已涂防锈漆 )的裂纹以及焊接处的缺陷等。 在探伤 中，传感器与被测导体保持距离个变。在检测过程小，出于缺陷将引 起导体电导率、磁导率的 变化，使电涡流 J：变小，从们引起输出电压灾变。 l 引 6 15是用心祸流探头检测高压输油管表面裂纹的不意图。两只导向辊用耐 磨、不导 电的聚四氟乙烯制成亩的表而还刻有螺旋导 N 槽并以相同的方 向旋转。汕管在它们的驱动 厂，匀速地在楔形电 yR 流探头 L 方做 360”转动， 并向前挪动 c 探头利油管表凹进行逐点扫描 得到阁 6 16(a)的输出信号。 HYPERLINK http:

14、/www.ebv.hk http:/www.ebv.hk 当汕管存在裂纹时电混流所止的路程大为增加见闻6贩(t)1，所以电涡流突然减小，输 61 波形如图 616(n)小的“尖峰”历示。该信 号十分紊乱，用肉 眼很难辨出缺陷性质。 该信号通过带通滤波器，滤去 表顶不平整、抖动等造成的输出异常后，得到图 6 l 6(b)中 的两个尖峰信导。 凋节电压比较器的阀值电乐，得到真正的缺陷佰号。计算机还 uJ 以根据图 6 16(n)的信号计算电涡流探头 TI 代理商线圈的阻抗，得到闯 6 16(c)所示的“8” 宁此瓣状阻抗图。根 据 K 期积累的探伤经验，可以从该复杂的阻抗图中判断 r1 裂纹的长短

15、、深浅、走向等 参数。图小的黑色边框为反视报警区。当“ 8” 字花瓣状图形超山报警 K 时即视为超标，产生报警信号。 电涡流探伤仪 杯实际使出时会 ATMEL 代理商受到谙多因素的影响，如环境温度变化、去 15 硬度、机械转 动不均匀、抖动等用中个吧涡流探头易受上述阅素影响，严 重时无法分辨缺陷和裂纹，出此必 须采用鼓动电路。在楔形屯涡流探头的尖 端部位设置发射线圈，在其上方的左、右两侧分别没 量一只接收线圈，它们 的同名地相连，在没有裂纹信旱时输出厅相抵消。当裂纹进入左、省接 受线 图下力时，由于相位上有光后差别，所以信号无法抵消， j “生输出电压，这就 是差动原理。 温漂、抖动等干扰通常

16、是同时作用于两只屯涡流差动线圈，所 以不会产牛输出信号。如果计算 机采用“相关技术”，就能进步提高分辨 力。 上述系统的最大特点 ATMEL 是非接触狈 0 量不磨损探头，俭测 速度可达每秒几米。刘机械系统稍 做改造，还可以用于：轴类、滚了类的缺 陷检测。 cjmc%ddz实验设计方案实验二十二 被测体材质对电涡流传感器特性影响（ 一）、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。（ 二）、基本原理 ：涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不 同的材料就会有不同的性能。（三）、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、 数显单元、测微头、铁圆片，另加铜

17、和铝的被测体圆盘。（四）、实验步骤： 1、根据图 81 安装电涡流传感器2 观察传感器结构，这是一个平绕线圈3 将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L 的两端插孔中，作为振荡器的 一个元件。4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。5、将实验模板输出端 Vo 与数显单元输入端 Vi 相接。数显表量程切换开关选择 电压 20V 档。6、用连结导线从主控台接入 15V 直流电源接到模板上标有 15V 的插孔中。7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数， 然后每隔 0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表818 将原铁圆片换成铝和铜圆

18、片。9、重复实验 1-7 步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别 记入表 82和表 83。 表 82被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据。实验结果与分析X(m m)17.116.916.716.616.416.316.115.915.7V(v)8.928.928.918.908.898.878.858.838.81X15.515.315.114.914.714.514.3V8.788.758.708.658608.568.53材质铝X(mm )15.015.215.415.615.816.016.216.416.6V（v）8.728.748.788.828.868.888.89

19、8.908.91X16.817.017.217.4V8.928.938.948.94材质铜电容传感器原理及应用电容传感器的工作原理是利用力学量变化使电容器中其中的一个参数发生变 化的方法来实现信号变换的。根据改变电容器的参数不同，电容传感器可有 3 类：改变极板遮盖面积的电容传感器改变介质介电常数的电容传感器改变极板间距离的电容传感器磁传感器磁传感器是基于电磁传感器原理 , 通过磁电相互作用将被测量 （如振动、位移、 转速等 ）转换成感应电动势的传感器， 它也被称为感应式传感器、 电动式传感器。 根据电磁感应定律， N匝线圈中的感应电动势。 感应电动势的大小由磁通的变化 率决定。磁通量协的变化

20、可以通过很多办法来实现 : 如磁铁与线圈之间作相对运 动;磁路中磁阻变化 ; 恒定磁场中线圈面积变化等。因此可以制造出不同类型的 磁传感器。磁传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路 简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合 于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。磁电传感器 由永久磁铁 （ 磁钢） 、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。系统产生恒定直流 磁场，磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它 们的运动部件可以是线圈，又可分为圈式或动铁式两种结构类型。恒磁通磁传 感器结构原理图磁铁与传感器壳体固定，线圈和

21、金属骨架 （ 合称线圈组件 ）用柔 软弹簧支承。线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承 。 两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。动圈式和 动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧 较软，运动部件质量相对较大， 因此振动频率足够高 （ 远高于传感器的固有频率 ） 时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动 能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度。线圈与磁铁间相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度成正比的 感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数 ; 工作气隙中磁

22、感 应强度; 每匝线圈的平均长度。这类传感器的基型是速度传感器，能直接测量线速度。因为速度与位移和加速 度之间有内在的联系，即它们之间存在着积分或微分关系。因此，如果在感应 电动势的测量电路中接入一积分电路，则它的输出就与位移成正比 ; 如果在测量 电路中接人一微分电路，则它的输出就与运动的加速度成正比。这样，这类磁 传感器就可以用来测量运动的位移或加速度。磁传感器是基于电磁传感器原理 ,通过磁电相互作用将被测量 （ 如振 动、位移、转速等 ） 转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电 动式传感器。根据电磁感应定律， N 匝线圈中的感应电动势。感应电动势的大小 由磁通的变化率决定。

23、磁通量协的变化可以通过很多办法来实现 : 如磁铁与线圈 之间作相对运动 ; 磁路中磁阻变化 ; 恒定磁场中线圈面积变化等。因此可以制造 出不同类型的磁传感器。磁传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要供 电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响 应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。 磁电传感器由永久磁铁 （ 磁钢 ） 、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。系统产 生恒定直流磁场，磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定 不变的。它们的运动部件可以是线圈，又可分为圈式或动铁式两种结构类型。 恒磁通磁传感器结构原理图磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架 （ 合称线圈 组件） 用柔软弹簧支承。线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。动圈式和 动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧 较软，运动部件质量相对较大， 因此振动频率足够高 （ 远高于传感器的固有频率 ） 时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振