传感器课程设计电涡流位移传感器设计.doc

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1、目录摘要电涡流位移传感器设计一、设计要求二、总体设计方案三、电涡流传感器的基本原理3-1电涡流效应和传感器等效电路3-2电涡流形成的范围四、传感器的结构形式五、测量电路及分析5-1测量电路5-2电路各单元分解六、实验数据及误差分析参考文献摘要随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用

2、电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。关键词：电涡流式传感器传感器技术电量非电量电涡流位移传感器设计一、设计技术要求1、线性范围（mm）：12、分辨率（um）：13、线性误差：《3%4、使用温度范围：-15~+80二、总体方案设计电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和

3、动态的相对位移变化。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。根据下面的组成框图，构成传感器。根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其损耗小，电性能好，热膨胀系数小。（2）传感元件:前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。（3

4、）测量电路：本电路拟采用变频调幅式测量电路。三、电涡流传感器的基本原理3·1、电涡流效应和传感器等效电路电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转化为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化）从而进行非电量电测的。根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化

5、程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而

6、增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：经求解方程组，可得I1和I2表达式：由此可得传感器线圈的等效阻抗为:从而得到探头线圈等效电阻和电感。通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：其中，x为检测距离；

7、μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x,ρ,μ,f的变化的电路。3·2电涡流形成的范围见资料四、传感器的结构形式电涡流传感器结构很简单，主要是由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈是用多股其保险或银丝绕制而成，一般放在传感器的端部，线圈可绕在框架的槽内，也可用粘接剂粘在端部，下图为CEF1型涡流传感器。CEF1型框架用聚四氟乙烯制成，线圈绕在框架的槽内，其性能

8、见下表。表略根据设计参数要求，CEF1-1000型传感器。图3涡流传感器四、测量电路及分析5-1测量电路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。本次设计拟