傳感器課程設(shè)計(jì)--電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　二、總體設(shè)計(jì)方案</b></p>&

2、lt;p>　　三、電渦流傳感器的基本原理</p><p>　　3-1電渦流效應(yīng)和傳感器等效電路</p><p>　　3-2電渦流形成的范圍</p><p>　　四、傳感器的結(jié)構(gòu)形式</p><p><b>　　五、測量電路及分析</b></p><p><b>　　5-1 測量電路

3、</b></p><p>　　5-2 電路各單元分解</p><p>　　六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代測量、控制盒自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越受到

4、人們的重視。特別是近年來，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及生態(tài)平衡的需要，傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的作用也日益顯著。傳感器技術(shù)的應(yīng)用在許多個(gè)發(fā)達(dá)國家中，已經(jīng)得到普遍重視。在工程中所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，及研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速的非電量技術(shù)。電渦流傳感器已成為目前電測技術(shù)中非常重要的檢測手段，廣泛的應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電渦

5、流式傳感器 傳感器技術(shù) 電量非電量</p><p>　　電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)技術(shù)要求</b></p><p>　　1、線性范圍（mm）：1</p><p>　　2、分辨率（um）：1</p><p>　　3、線性誤差：《3%</p><p>

6、;　　4、使用溫度范圍：-15~+80</p><p><b>　　二、總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對位移變化。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏

7、度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)下面的組成框圖，構(gòu)成傳感器。</p><p>　　根據(jù)組成框圖，具體說明各個(gè)組成部分的材料：</p><p>　　（1）敏感元件：傳感器探頭線圈是通過與被測導(dǎo)體之間的相互作用，從而產(chǎn)生被測信號(hào)的部分，它是由多股漆包銅線繞制的一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成，線圈框架的材料是聚四氟乙烯，其損耗小，電性能好，熱膨脹

8、系數(shù)小。</p><p>　?。?）傳感元件: 前置器是一個(gè)能屏蔽外界干擾信號(hào)的金屬盒子，測量電路完全裝在前置器中，并用環(huán)氧樹脂灌封。</p><p>　?。?）測量電路：本電路擬采用變頻調(diào)幅式測量電路。</p><p>　　三、電渦流傳感器的基本原理</p><p>　　3·1、電渦流效應(yīng)和傳感器等效電路</p>&

9、lt;p>　　電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)化為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化）從而進(jìn)行非電量電測的。</p><p>　　根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流，如圖2-2中所示。與此同時(shí)，電渦流i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H

10、1，從而導(dǎo)致探頭線圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測金屬導(dǎo)體的電阻率ρ，磁導(dǎo)率μ，線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，以及線圈激勵(lì)電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè)，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小。</p><p>　　電渦流傳感器的工作原理，如圖2-2所示：</p><p>　　為了便于分析，把被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成

11、一個(gè)短路環(huán)中的電流，這樣就可以得到如圖2-3所示的等效電路。</p><p>　　圖中R1，L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感，短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其中R2，L2為被測導(dǎo)體的電阻和電感。探頭線圈和導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。U1為激勵(lì)電壓，根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式，上圖等效電路的平衡方程式如下：</p><p>　　經(jīng)求解方程組，可得I1和I2表達(dá)式

12、：</p><p>　　由此可得傳感器線圈的等效阻抗為:</p><p>　　從而得到探頭線圈等效電阻和電感。</p><p>　　通過式（2-4）的方程式可見：渦流的影響使得線圈阻抗的實(shí)部等效電阻增加，而虛部等效電感減小，從而使線圈阻抗發(fā)生了變化，這種變化稱為反射阻抗作用。所以電渦流傳感器的工作原理，實(shí)質(zhì)上是由于受到交變磁場影響的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)線圈原來

13、阻抗的作用。</p><p>　　因此，通過上述方程組的推導(dǎo)，可將探頭線圈的等效阻抗Z表示成如下一個(gè)簡單的函數(shù)關(guān)系：</p><p>　　其中，x為檢測距離；μ為被測體磁導(dǎo)率；ρ為被測體電阻率；f為線圈中激勵(lì)電流頻率。</p><p>　　所以，當(dāng)改變該函數(shù)中某一個(gè)量，而固定其他量時(shí)，就可以通過測量等效阻抗Z的變化來確定該參數(shù)的變化。在目前的測量電路中，有通過測量Δ

14、L或ΔZ等來測量x ,ρ,μ,f的變化的電路。</p><p>　　3·2電渦流形成的范圍</p><p><b>　　見資料</b></p><p><b>　　傳感器的結(jié)構(gòu)形式</b></p><p>　　電渦流傳感器結(jié)構(gòu)很簡單，主要是由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。線圈是用多股其保

15、險(xiǎn)或銀絲繞制而成，一般放在傳感器的端部，線圈可繞在框架的槽內(nèi)，也可用粘接劑粘在端部，下圖為CEF1型渦流傳感器。</p><p>　　CEF1型框架用聚四氟乙烯制成，線圈繞在框架的槽內(nèi)，其性能見下表。</p><p><b>　　表略</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，CEF1-1000型傳感器。</p><p&

16、gt;<b>　　圖3 渦流傳感器</b></p><p><b>　　測量電路及分析</b></p><p><b>　　5-1測量電路</b></p><p>　　測量電路的任務(wù)就是把位移x的變化變換為電壓或頻率的變化?？梢杂萌N類型的測量電路：電橋電路，諧振電路，正反饋電路。目前所用的諧振電路

17、有三種類型：定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)擬采用變頻調(diào)幅式（調(diào)頻調(diào)幅式）測量電路。</p><p><b>　　變頻調(diào)幅式測量電路</b></p><p>　　該電路的核心是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器，傳感器線圈是震蕩回路的一個(gè)電感元件。這種電路的測量原理是：當(dāng)無被測導(dǎo)體時(shí)，回路諧振于f0，此時(shí)Q值最高，所以對應(yīng)的輸出

18、電壓U0最大。當(dāng)非軟磁材料制成的被測導(dǎo)體靠近傳感器時(shí)，諧振峰右移，諧振頻率增高為f1，諧振曲線由于Q值降低，而顯得“矮胖”。所以這時(shí)對應(yīng)的輸出電壓U1將降低。當(dāng)被測導(dǎo)體進(jìn)一步靠近傳感器線圈時(shí)，諧振頻率增高為f2，輸出電壓降為U2···。</p><p>　　當(dāng)被測導(dǎo)體是軟磁材料時(shí)，則隨被測導(dǎo)體靠近線圈，諧振頻率降低為f1，f2···，輸出電壓也由U0依次

19、降為U1，U2···。這時(shí)得到的一組諧振曲線如圖所示。</p><p>　　5-2電路各單元分解 </p><p>　　這個(gè)測量電路由三部分組成，即</p><p>　　電容三點(diǎn)式振蕩器（西勒振蕩器） 其作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)化成高頻載波信號(hào)的幅值變化。為使電路具有較高的效率而自

20、行起振，電路采用自給偏壓的辦法。適當(dāng)選擇振蕩管的分壓電阻的比值，可使電路靜態(tài)工作點(diǎn)處于甲乙類。</p><p>　　從變頻調(diào)幅式測量電路圖可分析出線圈震蕩電流由其中的西勒振蕩電路提供。下圖為西勒振蕩電路。 </p><p>　　西勒震蕩電路圖 圖2</p><p>　　西勒振蕩器是一種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器， 它是克拉波電路的改進(jìn)電路。這種電路

21、頻率穩(wěn)定性高。因?yàn)榭赏ㄟ^C4改變振蕩頻率，且接入系數(shù)不受C4影響，所以在整個(gè)波段中振蕩</p><p>　　振幅比較平穩(wěn)。真兩點(diǎn)使西勒電路的頻率能在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。西勒振蕩電路的頻率為</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　式中， 。其中，；</b></p><p>

22、;<b>　　當(dāng)及時(shí)，振蕩頻率為</b></p><p><b>　　,</b></p><p>　　與受輸入輸出電容（包括閑散電容）影響的與 無關(guān)，因此提高了振蕩頻率的穩(wěn)定性。</p><p>　　西勒振蕩電路的振蕩頻率可以通過改變來調(diào)整。因比克拉波電路取值大！故頻率覆蓋系數(shù)大，易調(diào)整，頻率穩(wěn)定度高，實(shí)際應(yīng)用較多。<

23、;/p><p>　　西勒振蕩等效電路圖 圖3</p><p>　　上圖為在實(shí)際應(yīng)用中的西勒電路改進(jìn)型，在實(shí)際應(yīng)用中可用可調(diào)電感，而可調(diào)電容換成固定電容。在大多數(shù)電視機(jī)中大多采用西勒振蕩電路。此時(shí)的振蕩頻率為</p><p><b>　　。</b></p><p>　　檢波器 檢波器由檢波二極管和派形濾波器組成，采用派形

24、濾波器可適應(yīng)電流變化較大，而又要求波紋很小的情況，可獲得平滑的波形。檢波器的作用是將高頻載波中的測量信息不失真的取出。</p><p>　　LC濾波器在二極管之后如圖所示，</p><p><b>　　LC濾波電路 </b></p><p>　　由于二極管有單向?qū)ㄐ?，因此有部分正弦波?jīng)由二極管，而形成半波正弦波。在通過下部LC低通濾波器濾去交