電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)

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1、傳感器課程設(shè)計(jì) 燕山大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 題目:電渦流位移傳感器設(shè)計(jì) 學(xué)院(系):電氣工程學(xué)院 年級專業(yè): 09醫(yī)療儀器1班 學(xué) 號: 090103040048 學(xué)生姓名: 宮喜慶 指導(dǎo)教師: 徐永紅 教師職稱: 副教授 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 院(系):電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位:電子實(shí)驗(yàn)中心 學(xué) 號 090103040048 學(xué)生姓名 宮喜慶 專業(yè)(班級) 醫(yī)療儀器1班 設(shè)計(jì)題目 電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)

2、 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) 工 作 計(jì) 劃 1 答辯并寫好任務(wù)書 2 畫出電路圖和探頭部分結(jié)構(gòu)圖 參 考 資 料 【1】賈伯年 傳感器技術(shù) 東南大學(xué)出版社 2007 【2】林志琦 信號發(fā)生電路原理與實(shí)用設(shè)計(jì) 人民郵電出版社 2010 【3】Arthur B.Williams 著 寧彥卿 譯 電子濾波器設(shè)計(jì) 科學(xué)技術(shù)出版社 2008 指導(dǎo)教師簽字 徐永紅 基層教學(xué)單位主任簽字 說明:此表一式四份,學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。 年 月 日

3、 目錄 摘要…………………………………………………………………4 電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)……………………………………………5 一、總體設(shè)計(jì)方案……………………………………………5 二、電渦流傳感器的基本原理………………………………6 2.1 電渦流傳感器工作原理……………………………6 2.2 電渦流傳感器等效電路分析………………………6 2.3 電渦流傳感器測量電路原理………………………8 三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)………………………………………………13 3.1 電渦流透射式……………………………………13 3

4、.2 電渦流反射式……………………………………14 個(gè)人小結(jié)……………………………………………………17 參考文獻(xiàn)……………………………………………………17 摘要 隨著現(xiàn)代測量、控制盒自動化技術(shù)的發(fā)展,傳感器技術(shù)越來越受到人們的重視。特別是近年來,由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及生態(tài)平衡的需要,傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的作用也日益顯著。傳感器技術(shù)的應(yīng)用在許多個(gè)發(fā)達(dá)國家中,已經(jīng)得到普遍重視。在工程中所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量,促使人們用電測的方法來研究非電量,及研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表,研究如何能正確和快速的非電量技術(shù)。電渦流傳感器已成為目前電測技術(shù)中非常重

5、要的檢測手段,廣泛的應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。 關(guān)鍵詞:電渦流式傳感器 傳感器技術(shù) 電量非電量 電渦流位移傳感器設(shè)計(jì) 一、總體設(shè)計(jì)方案 電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測量被測體(必須是金屬導(dǎo)體)與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)下面的組成框圖,構(gòu)成傳感器。 根據(jù)組成框圖,具體說明各個(gè)組成部分

6、的材料: (1)敏感元件:傳感器探頭線圈是通過與被測導(dǎo)體之間的相互作用,從而產(chǎn)生被測信號的部分,它是由多股漆包銅線繞制的一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成,線圈框架的材料是聚四氟乙烯,其順耗小,電性能好,熱膨脹系數(shù)小。 (2)傳感元件: 前置器是一個(gè)用環(huán)氧樹脂灌封并帶有導(dǎo)線的裝置,測量電路完全裝在前置器中。 (3)測量電路:是由渦流傳感器構(gòu)成,將測量信息轉(zhuǎn)換為直流電量輸出。本電路采用西勒振蕩電路產(chǎn)生振蕩頻率,在經(jīng)過濾波產(chǎn)生直流電量。 二、電渦流傳感器的基本原理 2.1 電渦流傳感器工作原理 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時(shí),線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H

7、1,它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,即電渦流,如圖2-2中所示。與此同時(shí),電渦流i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2;H2與H1方向相反,并力圖削弱H1,從而導(dǎo)致探頭線圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測金屬導(dǎo)體的電阻率ρ,磁導(dǎo)率μ,線圈與金屬導(dǎo)體的距離x,以及線圈激勵(lì)電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè),而其余參數(shù)保持不變,則阻抗Z就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù),從而確定該參數(shù)的大小。 電渦流傳感器的工作原理,如圖2-2所示: 2.2 電渦流傳感器等效電路分析 為了便于分析,把被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流,這樣就可以得到如圖2-3所示

8、的等效電路。 圖中R1,L1為傳感器探頭線圈的電阻和電感,短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈,其中R2,L2為被測導(dǎo)體的電阻和電感。探頭線圈和導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感M,它隨線圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。U1為激勵(lì)電壓,根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式,上圖等效電路的平衡方程式如下: 經(jīng)求解方程組,可得I1和I2表達(dá)式: 由此可得傳感器線圈的等效阻抗為: 從而得到探頭線圈等效電阻和電感。 通過式(2-4)的方程式可見:渦流的影響使得線圈阻抗的實(shí)部等效電阻增加,而虛部等效電感減小,從而使線圈阻抗發(fā)生了變化,這種變化稱為反射阻抗作用。所以電渦流傳感器的工作原理,實(shí)質(zhì)上是由于受到交變磁場影響的

9、導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)線圈原來阻抗的作用。 因此,通過上述方程組的推導(dǎo),可將探頭線圈的等效阻抗Z表示成如下一個(gè)簡單的函數(shù)關(guān)系: 其中,x為檢測距離;μ為被測體磁導(dǎo)率;ρ為被測體電阻率;f為線圈中激勵(lì)電流頻率。 所以,當(dāng)改變該函數(shù)中某一個(gè)量,而固定其他量時(shí),就可以通過測量等效阻抗Z的變化來確定該參數(shù)的變化。在目前的測量電路中,有通過測量ΔL或ΔZ等來測量x ,ρ,μ,f的變化的電路。 2.3 電渦流傳感器測量電路原理 電渦流傳感器常用的測量電路有電橋電路和諧振電路,阻抗Z的測量一般用電橋,電感L的測量電路一般用諧振電路,其中諧振電路又分為調(diào)頻式和調(diào)幅式電路。本設(shè)計(jì)采用渦流轉(zhuǎn)換器,其

10、工作原理是諧振式調(diào)幅電路。 渦流轉(zhuǎn)換器等效電路圖 圖1 從渦流轉(zhuǎn)換的等效電流圖可分析出線圈震蕩電流有渦流轉(zhuǎn)換器提供。是由其中的西勒振蕩電路提供震蕩電流。下圖為西勒振蕩電路。 西勒震蕩電路圖 圖2 西勒振蕩器是一種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器, 它是克拉波電路的改進(jìn)電路。這種電路頻率穩(wěn)定性高。因?yàn)榭赏ㄟ^C4改變振蕩頻率,且接入系數(shù)不受C4影響,所以在整個(gè)波段中振蕩 振幅比較平穩(wěn)。真兩點(diǎn)使西勒電路的頻率能在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。西勒振蕩電路的頻率為 。

11、 式中, 。其中,; 當(dāng)及時(shí),振蕩頻率為 , 與受輸入輸出電容(包括閑散電容)影響的與 無關(guān),因此提高了振蕩頻率的穩(wěn)定性。 西勒振蕩電路的振蕩頻率可以通過改變來調(diào)整。因比克拉波電路取值大!故頻率覆蓋系數(shù)大,易調(diào)整,頻率穩(wěn)定度高,實(shí)際應(yīng)用較多。 西勒振蕩等效電路圖 圖3 上圖為在實(shí)際應(yīng)用中的西勒電路改進(jìn)型,在實(shí)際應(yīng)用中可用可調(diào)電感,而可調(diào)電容換成固定電容。在大多數(shù)電視機(jī)中大多采用西勒振蕩電路。此時(shí)的振蕩頻率為 。 由渦流轉(zhuǎn)換器電路圖

12、可知,西勒電路產(chǎn)生的電流從振蕩器輸出端輸出后,經(jīng)過上下兩部分濾波電路,濾去交流。剩下直流電流從轉(zhuǎn)換器的輸出端輸出。上部濾波電路為 LC濾波電路1 圖7 直流電由輸入端進(jìn)入后經(jīng)由LC低通濾波器后由輸出端輸出直流分量。 下部LC濾波器在二極管之后如圖所示, LC濾波電路2 圖8 由于二極管有單向?qū)ㄐ?,因此有部分正弦波?jīng)由二極管,而形成半波正弦波。在通過下部LC低通濾波器濾去交流分量。從而輸出直流分量。 三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 電渦流傳感器有

13、傳感器有兩種結(jié)構(gòu)類型,分別為透射式和反射式。即透射試驗(yàn)和反射實(shí)驗(yàn) 3.1 電渦流透射式 穿L2,這這種類型與反射式主要不同在于它采用低頻激勵(lì),貫穿深度大,適用于測量金屬材料的厚度。下圖為其工作示意圖, 透射式電渦流傳感器工作原理圖 圖9 傳感器由發(fā)射線圈L1和接受線圈L2組成,它們分別位于被測金屬板的兩側(cè)。當(dāng)?shù)皖l激勵(lì)電壓加到線圈L1兩端時(shí),將在L2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若兩線圈之間無金屬導(dǎo)體,L1的磁場就能直接貫時(shí)電壓達(dá)到最大。當(dāng)有金屬板后,其產(chǎn)生的渦流削弱了L1的磁場,造成電壓下降。金屬板厚度越大,渦流損耗的就越大,電壓也就越

14、小。因此可用電壓大小反應(yīng)金屬般的厚度!而且對于不同材質(zhì)的特性不通所得的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不相同。 當(dāng)傳感器激勵(lì)頻率升高后其透射后的電壓增大了,但從低頻到高頻過程中再有無導(dǎo)體的情況下,電壓的下降幅度也不同!在高頻境況下電壓下降幅度明顯大于低頻是電壓下降到幅度!說明導(dǎo)體對渦流傳感器在高頻時(shí)吸收率更高,更有利于低頻是的磁場通過。 3.2 電渦流反射式 反射式中,變間隙是最常用的的一種結(jié)構(gòu)式。他的結(jié)構(gòu)簡單,由一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強(qiáng)度漆包銅線或銀線繞制(高溫時(shí)也采用鎢線),用粘合劑在框架端部或繞制在框架槽內(nèi),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示, 電

15、渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖14 線圈框架應(yīng)采用損耗小、電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料,常用高頻陶瓷、聚酰亞胺、環(huán)氧玻璃纖維等。由于激勵(lì)頻率較高,對所用的電纜與插頭也要充分重視。對于電渦流傳感器線圈外徑大,線性范圍也就大,但靈敏度低;反之線圈外徑小,靈敏度高,但線性范圍小。除此之外也有加入不加入鐵心之分加入鐵心可以感受較弱的磁場。對被測導(dǎo)體的大小和形狀也與靈敏度密切相關(guān)。而且除反射式外還有變面積式和螺管式兩種。 下面對變間隙式的電渦流傳感器進(jìn)行試驗(yàn)測量,并記錄數(shù)據(jù),在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 位移mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電壓v 0

16、 0 0.8 1.64 2.38 3.07 3.7 4.27 4.78 位移mm 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 電壓v 5.22 5.61 5.94 6.21 6.43 6.61 6.75 6.85 6.94 位移mm 9 10 11 12 13 14 15 16 電壓v 7.01 7.12 7.20 7.27 7.31 7.36 7.39 7.41 通過matlab擬合數(shù)據(jù)找出其最適合測量的線性區(qū)間。下圖為使用matlab擬合直線數(shù)據(jù)圖

17、 變間隙反射式試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖 圖15 個(gè)人小結(jié) 在這幾天的課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了許多,既有有因無從下手和失敗而迷茫和沮喪,也有獲得成功后的沾沾自喜。而且發(fā)現(xiàn)自己的知識儲備實(shí)在太少。 在課程設(shè)計(jì)中每天不斷的查資料分析電路,要找出試驗(yàn)電路和經(jīng)典電路之間的共性,還要通過變換把復(fù)雜的電路變換成熟知的基本電路,尤其是在西勒振蕩器的查找時(shí),面對一個(gè)陌生的電路根本無從下手。還是老師指導(dǎo)我去圖書館查找信號發(fā)生電路的相關(guān)書籍。才找到了類似的電路,在經(jīng)過自己的認(rèn)真分析,最終確定了它是西勒振蕩電路的衍生版本。課程設(shè)計(jì)真的不容易。對我的提高確實(shí)很大。 參考文

18、獻(xiàn):【1】賈伯年 傳感器技術(shù) 東南大學(xué)出版社 2007 【2】林志琦 信號發(fā)生電路原理與實(shí)用設(shè)計(jì) 人民郵電出版社 2010 【3】Arthur B.Williams 著 寧彥卿 譯 電子濾波器設(shè)計(jì) 科學(xué)技術(shù)出版社 200 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)評審意見表 指導(dǎo)教師評語: ①該生學(xué)習(xí)態(tài)度 (認(rèn)真 較認(rèn)真 不認(rèn)真) ②該生遲到、早退現(xiàn)象 (有 無) ③該生依賴他人進(jìn)行設(shè)計(jì)情況 (有 無) 平時(shí)成績: 指導(dǎo)教

19、師簽字: 年 月 日 圖面及其它成績: 答辯小組評語: ①設(shè)計(jì)巧妙,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求,并有所創(chuàng)新。 ②設(shè)計(jì)合理,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。 ③實(shí)現(xiàn)了大部分設(shè)計(jì)要求。 ④沒有完成設(shè)計(jì)要求,或者只實(shí)現(xiàn)了一小部分的設(shè)計(jì)要求。 答辯成績: 組長簽字: 年 月 日 課程設(shè)計(jì)綜合成績: 答辯小組成員簽字: 年 月 日 18

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