电涡流位移传感器及其应用.doc

《自动检测技术及仪表》课程设计报告题目:电涡流位移传感器及其应用学院： 专业： 年级：姓名： 学号：一、摘要本文介绍了电涡流传感器的工作原理，组成结构，测量电路原理图，特性及相关参数选择等，基于电涡流传感器在非接触式位移测量上的广泛应用，着重介绍了谐振法测量电路，电涡流传感器是一种能将机械位移转化为电信号输出的非电量电测装置，在位移、振动的测量以及材料的物理参数检测等方面有着广泛的应用二、电涡流传感器的工作原理电涡流传感器利用检测线圈与被测导体之间的涡流效应进行测量，具有非接触测量、灵敏度高、频响特性好、抗干扰能力强等优点，其基本原理如图l所示当线圈l通以交流电I1时，其产生的交变磁场H1会在被测导体2中产生电涡流I2，而I2又产生一交变磁场H2来阻碍H1的变化，从而使线圈的等效电感L发生变化当被测导体的电阻率、磁导率都确定，只有x发生变化时，通过分析提取等效电感与测量位移间的关系，就可以建立电涡流位移传感器三、电涡流传感器的组成结构根据下面的组成框图，构成传感器敏感元件被测量传感元件测量电路非电量电参量电量根据组成框图，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，其顺耗小，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）测量电路：在下面会具体介绍四、测量电路原理及其特性电涡流传感器的谐振调幅电路如图2（a）所示这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压变化传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路晶体振荡器产生一个频率及幅值稳定的高频信号来激励谐振回路LC回路的输出电压为：u=i0F(Z)式中i0为高频激励电流，Z为LC回路的阻抗可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的输出电压越大当改变金属导体与传感器线圈之间的距离x时，引起传感器线圈等效电感L发生变化，即回路的等效阻抗Z变化，从而使谐振回路输出电压u变化谐振回路的输出电压u就成为距离x的单值函数，只要测出的变化量就能确定金属导体与线圈之间距离x的变化量如图2(b)所示x-u曲线的非线性程度受线圈尺寸参数的影响，合理设计线圈尺寸参数能使传感器的非线性误差较小，而又不会使灵敏度降得太多从图2(b)可以看出，电涡流传感器的输出特性是一条光滑的曲线，这条曲线的形状比较近似于直线，可以用一条最接近于该曲线的直线来代替五、参数选择电涡流位移传感器的探头的几何参数对传感器的性能有重大影响，探头是涡流传感器的最重要组成部分，通常采用非金属材料制作，要求坚固，不易变形。

在某些场合还要求探头材料能耐高温、耐高压及不受油类介质的影响传感器探头的结构如图3所示，用高频特性较好的非金属材料(如聚四氟乙烯)作线圈骨架，外面罩以聚酰亚胺保护套线圈骨架内、外直径固定，骨架做成可抽动的，以使线圈的厚度可调线圈的几何参数对传感器性能的影响是很大的，研究其几何参数对其性能的影响规律是十分必要的图3 传感器探头的结构探头线圈的几何参数主要有：外直径，内直径，厚度，匝数考虑到线圈内直径的变化对线圈灵敏度的影响很小，可以忽略，只须研究另外三个参数的影响线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性的作用对传感器来说总是希望灵敏度高，线性范围大欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大；欲使灵敏度高，就要求轴向磁场强度变化梯度大一般理论认为：(1)线性范围只受线圈外径的影响：外径大，线性范围大；外经小，线性范围小；(2)线圈薄，灵敏度高传感器线圈尺寸的选取线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性作用对传感器来说总是希望灵敏度高，线性范围大欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大；欲使灵敏度高，就要求轴向磁场强度变化梯度大单匝的载流线圈在轴线上的磁感强度可以根据毕奥-萨伐定律推出：式中：μ0——真空的磁导率；r——线圈的半径；I——通过线圈的电流；x——轴线上某点P至线圈中心的距离。

①当x小时（被测体靠近线圈），线圈半径r小，则产生的磁感应强度大②当x 大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，且半径小的变化梯度大，线圈半径大的变化梯度小为了有较大的测量范围，线圈的半径应大一些线圈通以电流I时，则线圈的电流密度为：则通过截面dx，dy 处的圆形电流元的电流为：i=NI/((rb-ra)h)dx·dy此电流在轴线任意点P处所产生的磁感应强度为：整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P点处产生的磁感应强度为：式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：按表1中所给参数可做出线圈几何尺寸与线性范围曲线图，可得如下结论：线圈的匝数越多，线性范围越大；线圈薄时，灵敏度高，因此在设计传感器时，为使一定大小外径的传感器有较大的线性范围和尽可能高的灵敏度，要求线圈厚度越薄越好；线圈内径改变时，只有在被测体与传感器靠近处略有变化；线圈外径大时，传感器的敏感范围大，线性范围相应才会增大，但灵敏度降低，对于要求测量范围大的传感器，线圈外径要大一些表1 线圈几何尺寸与线性范围的关系线圈编号外径（mm）外径（mm）匝数n轴向厚度h（mm)130255001023025200103302550010430255002530285002630205002730205002820155002图4 距离电压变化曲线因此，电涡流传感器的灵敏度与线性范围，主要取决于传感器线圈的参数。

线圈的外径大，传感器的测量线性范围大，但灵敏度低；线性范围小，但灵敏度高，线圈薄时，灵敏度高六、电涡流传感器的应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行丈量和保护比如真尚有公司生产的KD2306高性能电涡流位移传感器，性能如下：真尚有KD2306高性能电涡流位移传感器信号处理器KD2306是轨导DIN式结构，是KD2300更新升级产品本系统非常适合集成到OEM设备和工业控制应用中可配30种传感器头，覆盖量程0.5～60mm，可测量铁磁和非铁磁所有金属材料可用于实验室、过程自动化，用户可自行调整零位、增益和线性满足各种实际需求，也可选择延长电缆、温度补偿等特殊需求KD2306有非常卓越的分辨率和速度性能(0.1μm分辨率，50KHz高响应)，多传感器同步功能，符合环保RoHS和安全CE标准等顶极性能，获2007美国传感器金奖主要应用领域：金属材料精密位移，长度、宽度、高度、厚度、圆度等尺寸；变形、振动等。

主要技术特点：分辨率：0.1um；标准频率50kHz（可定制更高频率）；可自行调整零位、增益和线性；可uxanz延长电流、温度补偿等功能；输出：0~5V，0~10V，±5V或4～20Ma；供电：+15~+30V；可见，电涡流位移传感器在工业的各个领域得到了广泛的应用参考文献：梁森．自动检测技术．北京：机械工业出版社，2004．王学梅，王彩红，薛隽，李盾，《电涡流传感器非接触测量位移》，郑州工业高等专科学校学报，第20卷第4期《成功（教育版）》2007年9期-刘佳欣，杨理践，陈鹏《电涡流位移传感器探头参数的选择》。