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1、精 91 李肇堃 20090104981实验二 电涡流传感器变换特性实验目的实验目的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。实验装置及原理：实验装置及原理： 实验装置如下实验原理:电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检 测，金属材质鉴别，无损探伤等技术领域。 涡流传感器通常由扁平环形线圈组成。在线圈中通以高频电流，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，也就改变了原线圈的自感量
2、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。其中调频，调幅线路如下图精 91 李肇堃 20090104982实验内容及步骤实验内容及步骤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 之间的关系被测金属板先采用 45#钢，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
3、 并记下相应的输出频率 f 的数值改变h 并记下相应的输出电压值2. 换上铝板重复 1 的步骤数据处理：数据处理： 数据表格如下：（此处距离为从远处靠近铝板的长度）铝板钢板距离/m频率 /KHZ电压/mv距离/m频率 /KHZ电压02777.738402666642002738.539610026541224002704.14082002643.31546002674.34123002633.21828002649.54184002624.120410002628.24225002615.621812002611.74266002607.823514002597.34287002600.424
4、616002584.24288002593.726018002573024289002587.727220002563.942810002582.22842200255642811002577.228824002548.742812002572.329626002542.642813002567.630628002536.942814002563.531430002532.242615002559.53193200252842816002555.932434002524.242817002552.333236002520.84261800254933438002517.842619002546
5、340对于铝板而言：精 91 李肇堃 20090104983对于钢板而言精 91 李肇堃 20090104984结论及误差分析：结论及误差分析：1. 由图可知输出振动的频率随着探头与板距离的减小而降低。这两个量之间可以建立单值对应的关系。由输出频率可以得出探头与板之间的距离。2. 对于钢板和铝板，输出电压随着探头与板距离的减小而减小。具体原因为等效电感的大小随着减小，谐振频率随之减小。3. 对于铝板来说，其频率变化的幅值大小比钢板敏感，这与材料的是否为磁性材料相关。4. 根据实际测得的结果，铝板的电涡流传感器的测距范围为 0-0.6mm，钢板电涡流传感器的测距范围为 0-0.5mm5. 误差分
6、析可知，实验中用钢尺测量距离，读数误差和测量误差都很大。且手握金属板无法保证完全静止，也会带来误差。另外频率计的读数也存在一定的误差。思考题思考题1.前置器是如何产生高频振荡电压的？振荡频率主要是由哪些元件决定的？传感器到前置器之间的电缆为 2 米，如增长 1 米，会有什么影响？答：涡流传感器线圈中通有高频电流，产生了高频交变磁场。当导电金属板接近线圈时，交变磁场在板的表面层产生感应电流即涡流。涡流又产生一个反方向的磁场，从而减弱了线圈的原磁场，也就改变了原线圈的自感 L、阻抗 Z 及 Q 值。线圈上述参数的变化在其他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。实验中采用了线圈自感 L
7、 的调频电路，即把线圈作为谐振回路的一个电感元件。当线圈与金属板的距离 h 发生变化时，线圈自感 L 发生变化，谐振回路的频率 f 发生变化。再用鉴频器将精 91 李肇堃 20090104985频率变化转换为高频振荡电压输出。谐振频率，主要由涡流传感器中线圈1 2fCL的自感 L 和电容 C 决定。前置器的结构如下图所示。大概可以分为两级：左边框内（包括传感器）是一个 三点式振荡电路，是产生高频振荡的核心部分，而右边框内电路是一个源极跟随器。 高频振荡电压由三点式振荡电路产生，通过一个微小的扰动，放大形成高频振荡 电路。振荡的频率取决于振荡电路的电容 C 和电感 L。01 2fLC其中，L 和
8、 C 均包含电缆和传感器的电感和电容。 电缆不考虑其电感，但与大地之间形成一定的电容，如果增长电缆，这一电容将 会增大，使得振荡频率减小。2.前置器到电源之间及到调频输出之间共用一根单芯电缆，其上传输着几种信号？它们是怎样分离开的？线路中起什么作用？采用单芯电缆有什么1212LLCC、好处？答：这条单芯电缆既作为调频输出线又作为电源线，因此传输着两种信号：一种是通 过源极跟随器输出的高频振荡信号，另一种是电源提供给两级电路的直流偏置信号。L1 的作用是阻止高频振荡信号流入两个三极管的集电极干扰其正常工作；L2则用于防止 交流信号干扰损坏电源。C1、C2 用于传输交流信号、阻断直流信号，将源级跟
9、随器的信 号输出。3.传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出有无影响？为什么？加入金属板是否也无影响？答：传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，改变介质的导磁率，但影响很小，它们基本不会影响磁场分布，不会影响感应电流，对频率输出无影响。加入金属板，影响了磁场分布，从而影响感应电流，影响了线圈自感 L。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。 ）答：精 91 李肇堃 20090104986铝的电导率比铁的要小，相应的电阻也比较小，因此产生的涡流比较大。这样，铝板测量的灵敏度就要比铁板高。从
10、图线中也可以看出，铝板曲线的斜率更大一些，说明其更灵敏。由实验数据可知，铁板传感器的灵敏度大于钢板灵敏度。钢板电涡流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。铝板电涡流传感器的测距范围是0 0.9cm1/kHz mm，此处灵敏度为。测量范围都在 1cm 以内。0 0.9cm1.5/kHz mm5.实验中所用传感器的可测量范围为多少毫米？一般的涡流传感器的测量范围是多少？答：钢板电涡流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。铝板电涡0 0.9cm2/kHz mm流传感器的测距范围是，此处灵敏度为。一般涡流传感器测量0 0.9cm1.5/kHz mm范围可达 0 到 3cm。实验三 电动力式速度传感器的校准实验
11、目的：实验目的： 1.熟悉电动力式传感器的工作原理和应用范围2.了解传感器绝对校准的工作原理；标定电动力式传感器的灵敏度，幅值线性度，幅频特性，固有频率等实验装置及原理：实验装置及原理： 实验装置实验原理精 91 李肇堃 20090104987新制造的电动力式传感器需要对其参数和性能进行标定，以便检查是否合乎设计要求。 另外随着时间和周围环境的变化，使用中的传感器的参数也会有所变化，也需要进行定期 的校核。 校准项目因传感器类型，使用条件，精度等各有差异，其中最重要的有灵敏度，幅值 线性度，频率响应函数等。 校准方法有绝对校准法和比较校准法两种。本实验采用的绝对法就是用高精度的仪器 和装置产生
12、并测量传感器的输入信号，改变输入信号的频率就可以测出传感器频率特性。 该方法的特点是精度高但是设备复杂。实验内容及步骤：实验内容及步骤：1.电动力式速度传感器灵敏度标定在 35HZ 正弦信号之下，调整信号发生其的输出电压，并调整功率放大器的输出电压，是 标定的幅值为 100m，记下传感器的输出电压。双振幅由光学显微镜读取，并在示波器 上观察激振器和传感器输出信号的波形及相位差，记录数据2.幅值线性度标定在 35HZ 正弦激振之下，调整标定台双振幅，记下传感器相应输出电压。记录数据 根据公式求出灵敏度及幅值线性度，并用最小二乘法求出幅值线性度。3.保持双振幅 2A=100m，改变激振频率，记录相
13、应的输出电压。并计算出在不同激振频率下速度传感器的灵敏度并绘制出扶贫特性曲线4.传感器相频特性实验数据整理：数据整理：1.电动力式速度传感器灵敏度标定电动力式速度传感器灵敏度标定次数双振幅 2A（um）输出电压 V（mV）灵敏度S（mV/cm/s）110010801389210011101427310010801389平均10010901402注：数据表中输出电压为峰值电压。结论：在 35Hz 的正弦信号下，传感器灵敏度为 1402 mV/(cm/s)。2.幅值线性度标定幅值线性度标定双振幅 2A(um)100200300400500 输出电压 U1(mV)108021203240424053
14、60 输出电压 U2(mV)11102160320042805400 平均输出电压 U(mV)10952140322042605380作输出电压与振幅之间的关系曲线如下图：精 91 李肇堃 20090104988（1）求灵敏度由输出电压与振幅之间线性回归可知：。从而（2）求线性度由最小二乘法拟合得输出电压 U 与双振幅振幅 2A 之间公式为。则拟合值与测量的平均输出电压值如下序号12345 双振幅 2A(um)100200300400500 拟合值 U(mV)10812150321942885357 平均输出电压 U(mV)10952140322042605380UUmV 14-10-1-2223最大偏差线性度3.绘制传感器幅频特性曲线绘制传感器幅频特性曲线实验数据如下表：频率10111213141516171819 360348420484546564584644704784 360350412492548558576648708776 平均电压360349416488547561580646706780 灵敏度1621.146497 1428.738 1561.104 1690.426 1759.459 1684.191
