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1、实验四、涡流、霍尔与光电传感器应用实验四、涡流、霍尔与光电传感器应用I 电涡流传感器位移实验电涡流传感器位移实验一、实验目的：一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理：二、基本原理：电涡流传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。它能实 现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器 还可以用于无损探伤。原理如下图所示：涡流传感器基本原理示意图 当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。如下图
2、所示：涡流效应示意图线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间距 x 等因素有关。当线圈与金属体表面的距离x 以外的所有参数一定时可以进行位移测量。 在利用电涡流传感器测量位移时,激磁线圈与涡流体之间的距离的变化引起涡流强度的变化。对金属涡流体(如铁块) ,当线圈自由放置时,线圈中电感最大,谐振频率最低,输出最大。随着距离的减小,涡流逐渐增强,电感减小,从而使谐振频率增高,于是输出幅值下降。当距离减小为零时,根据涡流的趋肤效应,输出应该为零。然而,由于被测物体表面的不平度,常常有一零输出值。原理如下图所示：测量位移原理 电涡流传感器的金属导
3、体可看作一个短路线圈,它与通电扁平线圈磁性相连,当两线圈间的距离变化时,其间的互感量与电感量都要发生变化,由涡流变换器(放大器、检波器、滤波器的组合) 转换为电量输出。利用电涡流传感器也可以测量振动、表面镀层厚度、表面不平度等。被测体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度都有影响;若被测体表面有镀层,镀层性质和厚度不均匀也会影响测量精度;灵敏度还与被测体的大小和形状有关。因此,在利用电涡流传感器测量不同的量时,应采取不同的措施,提高测量的精度。三、实验器件与单元：三、实验器件与单元：主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片)。四、实验步骤：四、实验步骤：1、观察传感器结构，
4、这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅本实验附录；根据下图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。电涡流传感器安装、按线示意图图中主机箱电压表接法：实验模板 Vo 与其地线插口分别接主机箱 Vin和其地线插口。2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V 档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据列下表。电涡流传感器位移 X 与输出电压数据表X（mm）V(v)3、根据上述表中数据数据，画出 VX 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点(即曲线线性段的中点)，试计算测量范围
5、为1mm 与 3 mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线） 。实验完毕，关闭电源。五、思考题：五、思考题：1、为什么电涡流式传感器被归类为电感式传感器？它属于自感式，还是互感式？它常有哪些方面的应用？2、电涡流传感器的线圈机械品质因数会发生什么变化？为什么？3、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量5mm 的量程应如何设计传感器？4、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器？II 霍尔测速实验霍尔测速实验一、实验目的：一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。二、基本原理：二、基本原理：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这
6、一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。霍尔效应原理图如图所示，将一块厚度为 d、宽度为 b、长度为 L 的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场 B 中，磁场 B 沿 Z 轴正方向。当电流沿 X 轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度 沿 X 轴负方向作定向运动，v所受的洛伦兹力为：（1）BevfB在fB的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿 Y 轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿 Y 轴负方向上的洛伦兹力 fB的同时，也受一个沿 Y
7、轴正方向的电场力 fE。设 E 为电场强度，UH为霍尔片 I、 面之间的电位差（即霍尔电压），则（2）bUeeEfHEfE将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有（3）EBff即bUeevBH或（4）vBbUH设载流子浓度为 n，单位时间内体积为vdb 里的载流子全部通过横截面，则电流强度 IH与载流子平均速度v的关系为（5）dbneIvvdbneIH H 或将（5）式代入（4）式得（6）dBI neUH H1式中即为前述的霍尔系数 RH。ne1HSHBdURI考虑霍尔片厚度 d 的影响，引进一个重要参数 KH，则（4）式nedKH1可写为（7）BIKUHHHKH称为霍尔元件的灵敏度。利用上述霍尔
8、电动势表达式：，当被测圆盘上装上 N 只磁性体BIKUHHH时，圆盘每转一周磁场就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 三、需用器件与单元：三、需用器件与单元：主机箱、霍尔转速传感器、转动源。四、实验步骤：四、实验步骤：1、根据图示将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为 23mm。注意要将光电断续器的锁紧螺钉拧紧，不要使之与转盘碰触，以免影响转盘转动。霍尔转速传感器实验安装、接线示意图2、首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源 224
9、v 旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(显示选择打到 20v 档)监测大约为.25V；然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图所示分别接到主机箱的相应电源和频率转速表(转速档)的 Fin 上。关于电压表的接法，注意本实验中电压表显示的是电机电枢电压的大小，所以应该将主机箱转速调节 224V 及其地线插口分别接入电压表 Vin及其地线插口。3、合上主机箱电源开关，在小于 12V 范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。4、从 2V 开始记录每增加V 相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据)；画出电机的
10、 v(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。三、思考题：三、思考题：1、什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？2、简述霍尔元件的误差及其相应的补偿方法。3、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？4、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？附录：测微头的组成与读数附录：测微头的组成与读数测微头的组成与读数如下图所示：测微头读数图 测微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微 分筒、微调钮组成。 测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上 的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1mm/格)，另一排是半毫米 刻线(0.5mm/格
11、)；微分筒前部圆周表面上刻有 50 等分的刻线(0.01mm/格)。 用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过 1 格， 测杆沿轴方向移动微小位移 0.01mm，这也叫测微头的分度值。 用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过 1 格，测杆沿轴方向移动微小位移 0.01mm，这也叫测微头的分度值。 测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线； 再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读 1/10 分度，如图甲读数为 3.678mm，不是 3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时， 应看微分筒的示值是否过零，如图乙已过零则读 2.514mm；如图丙未过零， 则不应读为 2mm，读数应为 1.980mm。 测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。 一般测微头在使用前，首先转动微分筒到 10mm 处(为了保留测杆轴向前、后 位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上， 移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于 合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的 微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
