传感器课程设计--电涡流位移传感器设计

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1、 目录 摘要摘要 电涡流位移传感器设计电涡流位移传感器设计 一、设计要求一、设计要求 二二、总体设计方案、总体设计方案 三三、电涡流传感器的基本原理、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、传感四、传感器的结构形式器的结构形式 五、五、测量电路及分析测量电路及分析 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六、实验数据及误差分析 参考文献参考文献 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

2、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、一、设计技术要求设计技术要求 1、线性范围（mm） ：1 2、分辨率（um） ：1 3、线性误差： 3% 4、使用温度范围：-15+80 二、总体方案设计二、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

3、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

4、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）测量电路：本电路拟采用变频调幅式测量电路。 三三、电涡流传感器的基本原理、电涡流传感器的基本原理 3 31 1、电涡流效应和传感器等效电路、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

5、；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。其变化程度取决于被测金属导体的电阻 率，磁导率，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

6、一个互感M，它随线圈与导体间距离 的减小而增大。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； 为被测体磁导率； 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L或Z等来测量x ,f的变 化的电路。 3 32 2 电涡流形成的范围电涡流形成的范围 见资料见资料 四、四、传感器的结构形式传感器的结构形式 电涡流传感器结