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1、7 号 电涡流实验模块7.17.1 实验目的实验目的：7.1.1、掌握电涡流传感器的转换原理、型号、使用方法，叙述辅助部分的设计和工作原理。7.1.2、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响、以及了解电涡流传感器用于位移限位的原理与方法。7.27.2 实验设备和元件：实验设备和元件： X.2.1 实验设备：7 号电涡流传感器实验模块、位移测量实验模块、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片、不锈钢、铝片。7.37.3 实验内容：实验内容：X.3.1、利用网络或图书馆等，首先掌握敏感（传感）元件的转换原理、型号、使用方法、以及信价比等，整理成不少于 3
2、000 字的说明书。电涡流传感器工作原理：电涡流传感器工作原理：根据法拉利电磁感应原理，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。前置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
3、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。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 , , , I, 这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
4、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。电涡流传感器的优点：电涡流传感器的优点：在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期
5、判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。电涡流传感器类型：电涡流传感器类型：分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。低频透射式传感器采用低频激励，因此有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。激励频率的选择原则为：待测导体的厚度大，应选择较低的激励频率以保证线性度，反之则使用较高激励频率以提高灵敏度。被测体对电涡流传感器特性的影响：被测体对电涡流传感器特性的影响：1被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率
6、、磁导率 有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。2被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在 0.4um0.8um 之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在 0.4um1.6um 之间。3被测体表面磁效应对传感器的影响电涡流效应主要集中在
7、被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。4被测体表面镀层对传感器的影响被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。5被测体表面尺寸对传感器的影响由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的 1.5 倍以上；当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线
8、正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的 3 倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到 72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降，一般要求厚度大于 0.1mm 以上的钢等导磁材料及厚度大于 0.05mm 以上的铜、铝等弱导磁材料，则灵敏度不会受其厚度的影响。电涡流传感器安装要求电涡流传感器安装要求:1.对被测体的要求为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有
9、一定范围的非导电介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头直径 3 倍以上，当无法满足 3 倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至 70%，所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。2.对工作的温度的要求一般进口涡流传感器最高温度不大于 180，而国产的只能达到 120，并且这些数据来源于生产厂家，其中有很大的不可靠性，据相关的各种资料分析，实际上，工作温度超过 70时，电涡流传感器的灵敏度会显著降低，甚至会造成传感器的损坏，在核电站工业
10、、涡轮发动机制造、火箭发射、汽车发动机检验、冶金钢铁熔炉等领域必要耐高温的电涡流传感器耐受性必须很高，据悉英国真尚有集团电涡流传感器设计工程师成功研发出了能够耐受上千摄氏度的此类传感器。电涡流传感器的灵敏度受温度的影响，在轴振测量中安装使用电涡流传感器应尽量远离汽封，只有特制的耐高温传感器如高低温电涡流传感器才能用于安装汽封附近。3、对探头支架的要求电涡流传感器安装在固定支架上，因此支架的好坏直接决定测量的效果，这就要求支架应有足够的刚度以提高自振频率，避免或减小被测体振动时支架也同时受激自振，资料表明，支架的自振频率至少应为机械旋转速度的 10 倍，支架应与被测表面切线方向平行，传感器垂直安
11、装在支架上，虽然探头的中心线在垂直方向偏 15角时对系统特性没有影响，但最好还是保证传感器与被测面垂直。4、对初始间隙的要求各种型号电涡流传感器，都在一定的间隙电压值下，它的读数才有较好的线性度，所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙，对每一套产品都会进行特性试验，绘出相应的特性曲线，工程技术人员在使用传感器的时候必须仔细研究配套的校验证书，认真分析特性曲线，以确定传感器是否满足所要测量的间隙，一般传感器直径越大所测量间隙也越大。X.3.2、单独画出放大电路原理图，并进行输入阻抗、放大倍数等性能的分析。快捷插座UA741电 涡 流 传 感 器7电涡流传感器实验模块DiCEGNDGNDR15
12、.1kW11.10kR3 2.4KR4 220Q1 9014 E B cL4 12mHL2 12mHR5 1.5KR15 12KD1 4148L3 10mH10250P50P101R2 10K103102R8 200KR9 3.3Q2 9012R6 3.3K103100UR6 3.3KR16 1KR17 1K+-0P07R18 3KL E DHXDV01 OUTR11 10KR12 51K+-IC1OUT VO2GND+15VGND-15V-15VR15 51KR10 10KR13 6.8KW2 10KR14 10K-15VX.3.3、单独画出其他辅助电路原理图，并说明其作用等。X.3.4、分
13、析有无系统误差并处理。实验中肯定存在系统误差。首先，天气方面，做实验的时候天气很潮湿，金属表面肯定湿度比较大，这对金属的磁导率有一定的影响。其次，螺旋测微器本来就存在误差，这是不能避免的，所以在位移的调节上就存在误差。还有，金属材料表面并不是很平整，这在调节零位的时候就存在了一定的误差。再有就是成员的估计读数时候的误差。X.3.5、处理上述测量结果，求出它的方差和数学期望，分析有无疏失误差并处理。实验十八测量结果的方差和数学期望：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0期望(mv)05797133166183206233253273286方差为：33.3。利用坏
14、值处理 3 准则可以判定没有坏值，没有疏失误差。实验十九测量结果的方差和数学期望：铝片实验：X(mm)0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0期望(mv)0 476377103116130137143153160由上可知除了 1.2mm 和 2.0mm 处方差为 0 外，其他方差为 33.3。利用坏值处理 3 准则可以判定没有坏值，没有疏失误差。不锈钢实验：X(mm)0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0期望(mv)0 20334350536373738386由上可知除了 0.2mm 和 0.8mm 处方差为 0 外，其他方差为 33.3。利用
15、坏值处理 3 准则可以判定没有坏值，没有疏失误差。实验二十一测量结果的方差和数学期望：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0期望(mv)18331830182018131810179017801770176017501740方差3300330000000利用坏值处理 3 准则可以判定没有坏值，没有疏失误差。7.47.4 实验结果与讨论实验结果与讨论X.4.1、详细记录实验结果。实验十八 电涡流传感器的位移特性实验的数据记录：第一次测量数据：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0VO2(mv)060100140170180210
16、230250270280第二次测量数据：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0VO2(mv)05090130170190210240250280290第三次测量数据：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0VO2(mv)060100130160180 200230260270290灵敏度计算：1mm 时:s1=157.5mv/mm.3mm 时：s2=96.4mv/mm5mm 时：s3=64.6mv/mm.实验十九 被测体材质对电涡流式传感器特性影响实验的数据记录：用铝片做被测体的实验结果：第一次测量数据：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0VO2(mv)0 506080100110130140140150160第二次测量数据：X(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0VO2(mv)0 406070100120130140150160160第三次测
