1、短路環(huán)，這樣就可得到如圖4-2的等效電路。圖中R、Li為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為Ra、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M它隨實驗四電渦流傳感器位移特性實驗、實驗?zāi)康模?、了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。2、了解不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響。3、了解電渦流傳感器位移特性與被測體的形狀和尺寸有關(guān)。、根本原理：電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體導(dǎo)電體一金屬渦流片組成，如圖4-1所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈一個扁平線圈通以交變電流頻率較高，一般為1MHz- 2MHz Ii時，線圈

2、周圍空間會產(chǎn)生交變磁場Hi,當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的外表層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流丨2,而|2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反應(yīng)一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化。我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。圖4-2電渦流傳感器等效電路圖4-1電渦流傳感器原理圖圖根據(jù)等效電路可列出電路方程組：農(nóng)J1+J應(yīng)1片-j邯M厶=£/】通過解方程組，可得11、12。因此傳感器線圈的復(fù)阻抗為:十叫-警;%耐 +(%)耐 +(%)線圈的等效電感為:L = LX-線圈的

3、等效Q值為:2 2 2 2 2 2Q= C01-(L 23 M )/( L 1Z 2) / 1+(R2 3 M )/( RZ 2) : 式中：CO 無渦流影響下線圈的Q值，Q= coL 1 / R；2 , 2 _ 2 2. 2 Z 2 金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流局部的阻抗，Z 2 = R> + o L2。由式Z、L和式Q可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q值都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)，而從麥克斯韋互感系數(shù)的根本公式出發(fā)，可得互感系數(shù)是線圈與金屬導(dǎo)體間距離 x(H)的非線性函數(shù)。因此 Z、L、Q均是x的非線性函數(shù)。雖然它整個函數(shù) 是一非線性的，其函數(shù)特征為 "S&

4、quot;型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實Z、L、Q的變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、鼓勵電流頻率以及線圈到被 測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。 如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)不變，那么阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。當(dāng)電渦流線圈、金屬渦流片以及鼓勵源確定后，并保持環(huán)境溫度不變，那么只與距離x有關(guān)。于此，通過傳感器的調(diào)理電路前置器處理，將線圈阻抗Z、L、Q的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號的大小隨探頭到被測體外表之間的間 距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。為實現(xiàn)電渦流位移測量，必須有一個專用的測量電路。這一

5、測量電路稱之為前置器，也稱電渦流變換器應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量實驗框圖如圖 4-3所示：圖4-3電渦流位移特性實驗原理框圖根據(jù)電渦流傳感器的根本原理,將傳感器與被測體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數(shù)，用相應(yīng)的測量電路前置器來測量。本實驗的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測量電路，電路原理與面板如圖 4-4所示。電路組成:Q1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中， 傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的 Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號的

6、幅值變化。D1、C5 L2、C6組成了由二極管和LC形成的n形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信號中傳感器檢測到的 低頻信號取出來。 Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可 能大的不失真輸出的幅度值。電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體導(dǎo)電體間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍從010Hz。當(dāng)無被測導(dǎo)體時，振蕩器回路諧振于fo，傳感器端部線圈 Q為定值且最高, 對應(yīng)的檢波輸出電壓 V0最大。當(dāng)被測導(dǎo)體接近傳感器線圈時，線圈 Q值發(fā)生變，振蕩器的 諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅

7、值V0變小。V0變化反映了位移x的變化。電渦流傳感器在位移、振動、轉(zhuǎn)速、探傷、厚度測量上得到應(yīng)用。屯眾忻變換器原丼.圧圖4-4電渦流變換器原理圖與面板三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器、被測體 鐵、銅、鋁圓片、端面積不同的二個鋁材被測體被測體1、被測體2、測微頭、主板F/V表、渦流變換器。四、實驗步驟：1、電渦流傳感器測量位移實驗：1觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個平繞線圈。調(diào)節(jié)測微頭初始位置的刻度值為5mm處，按圖4-5安裝測微頭、被測體鐵圓片、電渦流傳感器注意安裝順序：先將測微頭的安 裝套插入安裝架的安裝孔內(nèi)，再將被測體套在測微頭的測桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；最后平

8、移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相帖時擰緊測微頭安裝孔的緊固螺 釘并按圖接線。機頭>1坪-土板屯屈流特囲器/緊匱媒釘用匚血® Lbfl<1圖4-5電渦流傳感器安裝、按線示意圖2將電壓表F/V表量程切換開關(guān)切換到 20V檔，檢查接線無誤后將渦流變換器 的撥動開關(guān)撥到“開位置，開啟主電源開關(guān)，記下電壓表讀數(shù)，然后逆時針調(diào)節(jié)測微頭微分筒每隔0.1mm讀一個數(shù)，直到輸出 V變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入表4-1。在輸入端可接示波器觀測振蕩波形表4-1被測體為鐵圓片時電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)X mmVb(V)3根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)，畫出V- X曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域試計算靈敏度

9、和線性度可用最小二乘法或其它擬合直線。實驗完畢，關(guān)閉所有電源。2、被測體材料對電渦流傳感器性能的影響:電渦流傳感器在被測體上產(chǎn)生的渦流效應(yīng)與被測導(dǎo)體本身的電阻率和磁導(dǎo)率有關(guān)，因此 不同的材料就會有不同的性能。1將被測體鐵圓片換成銅和鋁圓片，實驗方法與步驟同上。2按上一實驗，將數(shù)據(jù)列入表 4-24-3。表4-2被測體為銅圓片時的位移與輸出電壓數(shù)據(jù)X mmW(V)表4-3被測體為鋁圓片時的位移與輸出電壓數(shù)據(jù)X mmW(V)3根據(jù)上表的實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)上畫出實驗曲線進行比擬，分別計算靈敏度和線性度。實驗完畢，關(guān)閉電源。3、被測體面積大小對電渦流傳感器特性的影響：電渦流傳感器的位移性能與被測體的形

10、狀、 大小有很大關(guān)系，當(dāng)被測體面積小于線圈平 面時會減弱甚至不產(chǎn)生渦流效應(yīng)， 所以電渦流傳感器在實際使用時， 被測體面積必須大于傳 感器線圈平面并進行位移標(biāo)定后測量。1實驗方法、步驟與上一相同，參閱上一實驗。2在測微頭的測桿上分別用二種不同面積的被測鋁材進行電渦位移特性測定，并分 別將實驗數(shù)據(jù)列入表 4-4。表4-4實驗數(shù)據(jù)X mr被測體1大被測體2小3根據(jù)表4-4數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)上畫出V X實驗曲線，計算二種被測體的靈敏度與相同線性范圍內(nèi)的線性度。實驗完畢，關(guān)閉電源。實驗六線性霍爾式傳感器位移特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。二、根本原理：霍爾式傳感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾

11、效應(yīng)原理工作。它將被測量的磁場變化或以磁場為媒體 轉(zhuǎn)換成電動勢輸出。 霍爾效應(yīng)是具有載流子的半導(dǎo)體同時處在電場和磁場中而產(chǎn)生電勢的一種現(xiàn)象。如圖 6-1帶正電的載流子所示，把一塊寬為 b, 厚為d的導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強度為 B的磁場中，并在導(dǎo)電板中通以縱向電流 I，此時在板圖6-1霍爾效應(yīng)原理的橫向兩側(cè)面 A, A之間就呈現(xiàn)出一定的電勢差 ，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)可以用洛倫茲力來解釋，所產(chǎn)生的電勢差 Uh稱霍爾電壓?；魻栃?yīng)的數(shù)學(xué)表達式為：IB Uh = Rh= KhIBd式中：Rh = -1 /(ne)是由半導(dǎo)體本身載流子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)；Kh = Rh/d靈敏度系數(shù)，

12、與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件，霍爾元件大多采用N型半導(dǎo)體材料金屬材料中自由電子濃度n很高，因此 Rh很小，使輸出Uh極小，不宜作霍爾元件，厚度d只有1叩 左右?；魻杺鞲衅饔谢魻栐图苫魻杺鞲衅鲀煞N類型。集成霍爾傳感器是把霍爾元件、放大器等做在一個芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)，與霍爾元件相比，它具有微型化、靈敏度高、可 靠性高、壽命長、功耗低、負載能力強以及使用方便等等優(yōu)點。本實驗采用的霍爾式位移小位移1mm2mm丨傳感器是由線性霍爾元件、永久磁鋼組成，其它很多物理量如：力、壓力、機械振動等本質(zhì)上都可轉(zhuǎn)變成位移的變化來測量。霍爾式位移傳感器的工作原理和實驗電路

13、原理如圖6-2 (a)、(b)所示。將磁場強度相同的兩塊永久磁鋼同極性相對放置著，線性霍爾元件置于兩塊磁鋼間的中點，其磁感應(yīng)強度為0,Uh =0。當(dāng)霍爾設(shè)這個位置為位移的零點，即X=0,因磁感應(yīng)強度E=0,故輸出電壓元件沿X軸有位移時，由于EM0，那么有一電壓Uh輸出，Uh經(jīng)差動放大器放大輸出為 V。V與X有對應(yīng)的特性關(guān)系。(a)工作原理(b)實驗電路原理圖6-2霍爾式位移傳感器工作原理圖*注意：線性霍爾元件有四個引線端。涂黑二端1(VS+)、3(Vs-)是電源輸入鼓勵端，另外二個2(Vo+)、4(Vo-)是輸出端。接線時，電源輸入鼓勵端與輸出端千萬不能顛倒，否那么霍爾元件就損壞。三、需用器件

14、與單元： 機頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、霍爾傳感器、測微頭；主板F/ V表、土 4V、霍爾、電橋、差動放大器。四、實驗步驟：1、差動放大器調(diào)零：按圖 6-3示意接線，電壓表F/V表量程切換開關(guān)打到 2V檔,檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)并將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開位置。將差動放大器的增益電位器順時針慢悠悠轉(zhuǎn)到底，再逆時針回轉(zhuǎn)半周； 調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電位器， 使電壓表顯示為0。 維持差動放大器的調(diào)零電位器的位置不變，關(guān)閉主電源，撤除差動放大器 的輸入引線。差動放大器xemm gtf-調(diào)零增益圖6-3差動放大器調(diào)零接線圖2、調(diào)節(jié)測微頭的微分筒0.01mm/每小格，使微分筒的0刻度線對準(zhǔn)軸套的10mm刻度線。按圖6-4在機頭上安裝傳感器與測微頭并根據(jù)示意圖接線。檢查無誤后，開啟主電源。K1sT F k胡誡連椿桿靂匕廈打測誡氓安癒孔, rjfF/V醺圖6-4線性霍爾傳感器直流鼓勵位移特性實驗安裝與接線示意圖3、松開安裝測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套，使PCB板霍爾元件處在兩園形磁鋼的中點位置目測時，擰緊緊固螺釘。仔細調(diào)節(jié)電橋單元中的W1電位器，使電壓 表顯示0。4、使用測微頭時，當(dāng)來回調(diào)節(jié)微分筒使測桿產(chǎn)生位移的過程中本身存在機械回程差，為消除這種機械回差可用單行程位移方法實驗：順時針調(diào)節(jié)測微頭的微