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1、涡流式测位移传感器的设计-OK 传感器与测控电路课程设计 说明书 设计题目 电涡流式测位移传感器的设计 学校 湖南科技大学 专业 机电工程学院 班级 07级测控一班 0703030112 设计人 谢忠明 指导教师 余以道 杨书仪 完成日期 20010 年 6 月21日 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 目 录 一、设计题目与要求?1 二、基本原理简述?2 三、设计总体方案确定?5 四、传感器的结构设计及计算，绘制相应的结构设计图?6 五、测控电路的设计与计算, 绘制相应的电路框图及电路图?7 六、精度误差分析?11 七、参考文献?14 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传
2、感器的设计 一、设计题目与要求 1、设计题目：电涡流式测位移传感器的设计 2、设计要求： 1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好； 2. 精度满足：0.1%FS； 3.测量范围：1.52.5mm 4. 设计传感器应用电路并画出电路图（包括传感器零件图1张，装配图1张，电路图1张）； 5.设计传感器应用电路并画出电路图。 6.应用范围：测量物体的位移。 二、基本原理简述 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。电涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。要形成涡流必须具备下列二个条件：存在交变
3、磁场；导电体处于交变磁场之中。因此，涡流式传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近因而处于交变磁场中的金属导体两部分组成。金属导体也可以是被测对象本身。 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 图1 涡流作用原理 如上图所示，如果把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电流线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场 此涡流也将产生交变磁场， 处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流方向相反。由于磁场时，的方向与的的作用，涡流要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化。 可以看出，线圈与金属导体之间存在着磁性联系。若把导体形象地看作一个短路线圈，其间的关系可用图1
4、所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数将随着间距的减少而增大。根据克西荷夫定律，可列出方程 ，它 解之得 式中线圈的电阻和电感； 金属导体的电阻和电感； 线圈激励电压； 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 由的表达式可以看出线圈受到金属导体影响后的等效阻抗为 等效电阻、电感分别为 在等效电感中，第一项与磁效应有关。若金属导体为非磁性材料，就是空心线圈的电感。当金属导体是磁性材料时，将增大，而且随着的变化而变化。第二项与涡流效应有关，涡流引起的反磁场将使电感减小，越小，电感减小的程度就越大。 等效电阻总是比原有的电阻来得大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都将使阻抗的
5、实数部分增加。显然，金属导体材料的导电性能和线圈离导体的距离将直接影响这实数部分的大小。由式(3-79)也可以得到线圈的品质因数为 式中无涡流影响时线圈的值； 金属导体中产生涡流的圆环部分的阻抗，。 由上可知，被测参数变化，既能引起线圈阻抗变化，也能引起线圈电感和线圈 化。所以涡流传感器所用的转换电路可以选用值变中的任一参数，并将其转换成电量， 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 即可达到测量的目的。这样， 金属导体的电阻率、磁导率、 线圈与金属导体的距离以及线圈激励电流的角频率等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗是这些参数的函数，可写成 若能控
6、制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。例如若被测材料的情况不变，阻抗就成为距离的单值函数，便可做成涡流式位移传感器。 三、总体设计方案的确定 1.当被测材料和激磁频率一定时，那么阻抗Z的值将是位移x的单值函数，即：Z=f(x)。 因此当x变化时，由于Q值和L值的发生变化，导致Z发生变化，通过相应的测量电路，可以把Z的变化转换为电压V的变化，这样就达到了非电量转换为电量的目的。特别值得注意的是由于反映了Q值的变化，因此无论传感器灵敏度还是传感器的线性范围，都得到了大大的提高。 输出电压V与x的函数曲线只有在一段范围内呈线性，如图2所示。其线性范围的大小
7、，灵敏度的高低与线圈的形状，大小有关。通过对各种形状的线圈进行了估算，并经实验得出，传感器希望线性范围大，灵敏度高时，其线圈的形式最好是尽可能窄的扁平线圈，而线圈直径增大时，线圈范围也相应的增大，传感器的线性范围一般为线圈外径的1/3-1/5;因此设计线圈的尺寸时，必须根据灵敏度及线性范围的大小来决定。 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 图2 电涡流传感器的U-x特性曲线 2.测量电路的任务就是把位移x的变化变换为电压或频率的变化。可以用三种类型的测量电路：电桥电路，谐振电路，正反馈电路。本设计采用定频调幅式测量电路的方法。 四、传感器结构设计与计算，绘制相应的结构设计图 （
8、1）、线圈外型尺寸的选择 线圈外型尺寸的计算主要是根据涡流式位移传感器所需的灵敏度和线性范围来确定的。电涡流传感器中灵敏度和线性范围是主要考虑的问题，而传感器的灵敏度和线性范围与产生的磁场强度的分布有关，磁场沿径向分布范围大，则线性范围就大，轴向磁场梯度大，则灵敏度就高。所以应先确定磁场强度。 线圈为扁平状时，灵敏度高，线圈内径改变时，只有被测体与传感器距离近时，灵敏度变化不大,设计时，传感器的线性范围一般取为线圈外径的1/3-1/5。 根据以上分析，考虑到测量位移要求灵敏度高，线性范围大，于是选择线圈的几何尺寸为：外径r1=7.5mm；内径r2=0.75mm；厚度b=1mm。 （2）、线圈骨
9、架尺寸的选择 根据线圈的外径尺寸，线圈骨架的外径选择10mm,其他尺寸如装配图所示。 （3）、涡流分布 线圈尺寸的大小直接影响到电涡流径向形成范围。当导体半径R=0时，产生的点涡流I=0，以后随半径的增大电涡流也随着增大；当导体的半径增大到R=r2时，电涡流I=0，一般通常取导体半径R=1.89r2时，就认为电涡流I=0时。由以上可知涡流的半径与线圈半径大小一样。 （4）、线圈阻抗计算 设:线圈的电阻为R，自感量为L，则线圈的阻抗为 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 Z=R+jwL 线圈电感L的计算: 线圈自感的理论计算比较麻烦,常用佩利提出的经验公式来计算 n2 L?D 0
10、.0369?0.14d?0.124e?10?9（H） b D式中，D为线圈平均半径，b为线圈宽度，c为线圈厚度,n为线圈匝数，d?,e?c D.根据 算式可计算出电感 （5）、电源频率的确定 金属导体内产生的涡流所建立起来的反磁场以及涡流要消耗一部分能量，这些作用都将“反射”回去，改变原激励线圈阻抗。因此，等效阻抗Z又称为反射阻抗，等效电感L又成为反射电感。为了使反射效果更好，激励频率要高，贯穿深度较小。所以电源用高频反射式， 对于高频反射式可用下式来确定，即 =2f 所以有： f=/2f （6）、材料的选择 线圈电阻的损耗，在有线圈骨架的情况下，通常包含有磁损耗和导线的铜损耗。所以对线圈的骨
11、架材料要求损耗要小；热膨胀系数小；电性能好。根据以上要求可选择线圈骨架材料为聚四氟乙烯高品质因数塑料。 线圈导线一般选用高强度漆包线，多股适当组合，如果要求导线损耗电阻小，可用银线或银合金线，在高温条件下，可使用铼钨合金线。本设计选用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置于探头的端部。 （7）、电涡流传感器线圈有两种结构： 先绕制一个扁平线圈然后粘贴在框架上;在框架上先开一条槽，导线绕在槽内而形成一个线圈。 两种机构本身没有优劣性，选择b作为线圈的结构，如下图所示： 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 图3 涡流传感器 五、测控电路设计及计算，绘制相应的电路原理图及电路
12、图 测量电路的任务就是把位移x的变化变换为电压或频率的变化。可以用三种类型的测量电 路：电桥电路，谐振电路，正反馈电路。目前所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变 频调幅式与调频式。 下图是调幅法的原理图。传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路。它由有石英振荡器输 出高频信号激励，它的输出电压为： 式中，i0为高频激励电流；Z为LC回路的阻 抗。可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的输出电压越大。 图4 定频调幅谐振电路的原理框图 传感器与测控电路课程设计 涡流式测位移传感器的设计 测量开始前，传感器远离初被测导体，调整LC回路使其谐振频率等于激励振荡器的振荡频率。当传感器接近被测导体时，线圈的等效电感发生变化，致使回路失谐而偏离激励频率，回路的谐振峰将向左右移动，如下图所示 。 图5 调幅电路谐振曲线 若被测导体为非磁性材料，传感器线圈的等效电感减小，回路的谐振频率提高，谐振峰右移，回路所呈现的阻抗减小为Z1或Z2，输出电压就将由u降为u1或u2。当被
