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1、 题目：一种新型电涡流位移传感器的研制题目：一种新型电涡流位移传感器的研制目 录1 绪论 .11.1 电涡流传感器技术现状.1 1.2 本文的主要研究工作.32.传感器的基本理论 .52.1 传感器的定义.5 2.2.传感器的组成 .5 2.3 传感器的分类.73.电涡流传感器基本原理 .83.1 电涡流传感器的原理及分析.8 3.1.1 电涡流效应 .8 3.1.2 电涡流作用原理 .8 3.1.3 等效电路及分析 .94.测量系统硬件平台设计与实现 .124.1 运动控制台的设计.12 4.2 处理器的选型.13 4.2.1 C8051F330 的概述 .13 4.2.2 C8051F33
2、0 系列的开发环境 .15 4.3 系统的硬件电路设计.16 4.3.1 测量电路的基本原理 .16 4.3.2 方波产生电路 .17 4.3.3 信号放大电路 .18 4.3.4 电源部分 .194.4 本章小结.205 数据处理和分析 .215.1 最佳仪表的静态特征的计算.21 5.2 特性曲线和拟合方程式.22 5.3 数据处理结果 .256.数据处理系统的单片机编程 .266.1 数据采集系统设计.26 6.1.1 数据采集的基本原理 .26 6.2 原程序的生成.28 6.2.1 原程序流程图 .28 6.2.2 主程序代码 .317.总结与展望 .357.1 工作总结.35 7.
3、2 工作展望.35致谢 .36参考文献 .371 1 绪论绪论1.11.1 电涡流传感器技术现状电涡流传感器技术现状随着科学技术的发展，在测试技术中，已广泛地采用非电量电测技术及其仪器。非电量电测技术具有下列主要优点：(1)测量的准确度和灵敏度高，测量范围广。(2)由于电磁仪表和电子装置的惯性小，测量的反应速度快。即具有比较宽的频率范围。(3)能自动连续地进行测量，便于自动记录。(4)采用单片机微处理做成的仪器可与微型计算机一起组成测量系统。(5)可以进行远距离测量，从而能实现集中控制和远距离控制。(6)一般被测对象取用功率小，因而可以减小对被测对象的影响，提高测量精度。但在不少场合，还要求能
4、对被测物体进行非接触测量。这是因为：（1）传感器测头与被测体接触，或者把传感器固定在被测体上时，相当于对被测体加一负载，这样会影响测量的精度；（2）在有些场合下，根本无法用接触的方法来测量，如对高速旋转轴的振动测量等。因此，在非电量电测技术领域中，非接触测量方法及仪器的研究，一直是检测技术发展的一个重要方面。作为无接触测量的传感器，目前虽然已有多种，如电容检测法、电感监测法、超声检测法等等。但在工业生产或一般实验中，普遍适用的却不多。以前用的最多的是电感式和电容式两种，电感传感器虽然使用可靠，但是体积大，测量的线性范围小；电容传感器的体积小，结构简单，灵敏度高，但是测量的范围小，测量值受到介质
5、和电磁场的影响较大，在现场使用亦有困难，因此都不能满足实际使用中的要求。目前，随着电光技术的发展，光电器件质量有了很大提高，光电检测法也成了一种很有前途的非接触测量的非电量测试技术。而同时，又发展了一种建立在电涡流原理上的传感器，即电涡流传感器。它可以把位移、振幅、厚度、尺寸、裂纹等参数变换成电量来进行测量，并且具有测量线性范围大，结构简单，不受油污等介质的影响，频响宽，抗干扰能力强等优点。国外已用于汽轮机、空间压缩机等旋转轴的径向振动测量与轴向位移测量，并用来作为连续监控装置国内已研制成功了电涡流式位移振动测量仪和电厂汽轮机监视用位移计、偏心度计等。首先将电涡流现象和测量方法联系起来的是休斯
6、在 1879 年的实验。而逐渐形成一种测试手段和技术是本世纪四、五年代后的事。此后德国的 Rentique 研究所和美国的Bently Nevada 公司相继研究了电涡流传感器的原理，并逐渐发展出了产品及仪器。目前，生产 ESC 较多的是国家是美、日、德、英等国家。一些产品（包括过国内的）的主要性能如表 1.1:表 1-1 某些 ECS 主要技术性能国家生产 单位型号线性 范围 （mm）分辨率 （m）工作 温度 ()端部 直径 （mm）频率 范围 （kHZ）美国BN1901.52.57.6010日本AEC5P0510.35010日本小野测器 制作所VS-01115010中国杭州自动 化仪器厂C
7、ZF-1001.21-15807020中国清华QH-3107014在我们国家，研制电涡流检测仪器历史不过十多年，作为产品也只有十年。但是由于该类仪器本身的一些优点，一些仪器研制出来以后，很快被工业部门广泛用于测量位移、厚度、只寸、振动、转速、压力、电导率以及金属材料探伤和缺陷检测等。鉴于上述的情况，可以这样认为，研制 ESC 并进一步提高其性能，并且针对某些特殊测试要求加以改进，是一项有价值、值得研究的工作。目前，电涡流传感器用的最多的是两个方面：一个是用于测试仪表，再就是用于监测保护系统。前者对精度、分辨率、线性度、稳定性等技术要求指标要求较高。随着生产的发展及科技水平的不断提高，对测试仪器
8、的要求越来越高。而以往的电涡流传感器就能满足不了要求。例如：在机械行业中，高精度磨床的主轴回转精度的测量中，其主轴的径向跳动在 0.52 之间，甚至更小。这么小的振动量对仪器的要求就相当高，尤其是对仪器的最高分辨率，即要求仪器有较高的信噪比。目前，国内用于测量的位移振幅传感器最高分辨率约 0.51 数量级，国外约在 0.050.1。用 0.5 的仪器去测量分析 12 的振动情况是满足不了要求的。又如：对钢板等厚度的在线测量，不但要求仪器具有宽的动态测量范围，而且还要求能测静态位移。除了要求仪器有高的分辨率外，更重要的是仪器有良好的温度稳定性和线性度。温度稳定性是比较难解决的问题之一。国外许多同
9、类仪器的二次仪表温漂大约在 0.1/0.15/,国内就更差。许多产品根本就不提该项指标。因此，当环境温差较大或测试要求较高时，高精度测量就无法实现，这也是国内电涡流传感器应用受到限制的一个重要因素。目前，国内生产用于测试的涡流传感器及其仪表不太多，分辨率比较低，灵敏度也比较低，约在1mv/4mv/.因此在很多场合过去一直采用电容传感器。电容传感器的致命弱点是：测量结果极易受到传感器与被测体间介质变化的影响而且传感器本身的安装极为不便，这使得它的的实际应用受到限制，除非在实验室，使用它也是迫不得已。针对这些情况，我们研制了新型电涡流传感器，使它既保持了涡流传感器的优点，又在灵敏度、线性度、温度稳定性等方面远远的超过电容传感器。本文即在该技术的基础上从线性化处理方法、提高传感器精度的方面考虑研制一种新型的电涡流传感器。1.21.2 本文的主要研究工作本文的主要研究工作1.研究了提高传感器线性测量范围和稳定性的方法。目前普遍使用的电涡流传感器系统，由于受到处理电路的影响以及电涡流效应本身非线性，所以测量范围比较小，一般为探头直径的 1/31/5（例如，直径 5cm 的探头的测量范围为 1cm 或 2cm） 。因此，国内的涡流传感器一般只用于监测旋转机械转子的径向和轴
