电涡流行程传感器及转速测量

实验二实验二电涡流行程传感器及转速测量电涡流行程传感器及转速测量 【实验目的】【实验目的】 1. 了解电涡流传感器的原理及被测体材料对涡流传感器的影响。 2. 学会用示波器观察激振状态下的调制波形。 3. 学会用频率计、转速表测量转速。 【实验原理】【实验原理】 1. 电涡流传感器工作原理 如果将一个绕在骨架上的空心线圈与正弦交流电源接通,流过线圈的电流会在线圈周围 空间产生交变磁场。 当将导电的金属接近该线圈时， 金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的 电流，这种电流称为“电涡流” ，如图 2-1（a）所示。涡流的大小和金属导体的电阻率， 磁导率、 厚度t、 线圈与金属导体的距离X， 以及线圈励磁电流的交变频率等参数有关。 如果固定其中某些参数，就可根据涡流的大小来测量出另外一些参数。 图 2-1电涡流传感器作用原理及等效电路 为了简化问题，我们把金属导体理解为一个短路线圈，图 2-1（b）所示为电涡流传感 器与被测体的等效电路。其中R1、L1为空心线圈的电阻和电感;R2、L2为短路线圈的电阻 和电感;而M则为两线圈的互感。根据等效电路可写出两个电压平衡方程式： R 1I1   jL 1I1   jMI 2   E   jMI 1   R 2 I 2   jL 2 I 2   0 （2-1） 将该方程联立求解可得： I 1  E （2-2） 2222MM R 1  2 R  jL L 2  21 22 R 2  (L 2 )2R  (L ) 22  MI 1 M2L 2 I 1  jMR 2 I 1（2-3）I 2  j 2R 2  jL 2 R 2 2L2 2 由（2-2）式可得空心线圈的总阻抗为：  E2M22M2 Z  R 1  R 2 2  jL L  12  （2-4） 22I 1 R 2  (L 2 )2R  (L ) 22  根据（2-4）式可进一步求出空心线圈的等效电阻Req、等效电感Leq和等效品质因数Qeq， 即： 2M2 R eq   R 1   2 R 2 （2-5） 2R 2   (L 2 ) 2M2 L eq   L 1   2 L 2 （2-6） 2R 2   (L 2 ) 2M2 L 1  2 L 2  2 R  (L ) 22  （2-7）Q eq   22M R 1  2 R 2  (L 2 )2 由此可见，当线圈接近导体时，电器参数Z、Req、Leq、Qeq等均为互感M的函数, 即为涡流线圈与金属导体间距离X的函数。所以凡是引起涡流变化的电量和非电量，如金 属的电阻率、 磁导率、 几何形状、 线圈与导体间的距离等， 均可通过测量涡流线圈的Z、Req、 L eq 、Qeq来确定，这便是电涡流传感器的工作原理。 2. 电涡流传感器测量电路 如上所述， 电涡流传感器可以把涡流线圈和被测金属导体间的距离变化， 转换为线圈等 效电阻、等效电感、等效阻抗和等效品质因数的变化。 测量电路的任务就是将这些变化量转 化为电压或电流的变化，并加以显示。 实验采用的测量电路框图如图2-2 所示， 其中涡流线圈L和测量电路中的电容C组成谐 振电路，谐振频率为：f   1 2LC 将振荡器的振荡频率取为f （ X 时谐振电路的谐振频率） ，在谐振状态下涡流线 圈的端电压为： U   Qe 1 （2-8） 图 2-2涡流传感器测量电路框图 式（2-8）中，Q为谐振电路的品质因数，e1为振荡器输出信号的幅度。当装置的初始 零位调整好后，涡流线圈与被测导体间距离为X 0 ，相应的线圈初电感为L0，谐振电路的初 谐振频率为f 0 ，涡流线圈的端电压则为： U 0  KQ 0e1 其中K为与Q有关的系数,f 0 一般取为1MHz左右。 图 2-3变频调幅测量电路原理 当X 0 变化后,L0、Q0、f 0 都要变化，例如X 0 变为X 1 或X 2 ,谐振频率变为f1或f 2 （对一般金属,X减小时f增加） ，则变换器的端电压为U 1 、U 2 ，且有： U 1  K 1Q1e1 U 2  K 2Q2e1 此时端电压的增量U 1   U 2  U 1正比于 X，见图 2-3，通常为取得较大的线性范 围，将f 0 置于线性段的中点。电涡流传感器的测量电路有多种类型，本实验采用的测量电 路属于变频调幅式电路。 【实验仪器】【实验仪器】 传感器实验仪、GOS   620双踪20MHz示波器、DT2234A光电转速表、CN3166 频率计、微型调速电机、电涡流传感器、JWY  30G直流稳压电源等。 【实验内容】【实验内容】 1.1. 电涡流传感器的静态标定电涡流传感器的静态标定 （1）装好传感器和测微头,使传感器对准铁片中心, 测微头对准平台中心孔。 （2）按图 2-4 接线。用导线将传感器接入涡流变换器的输入端，将输出端接电压表，将 电压表置20V档（根据需要及时改变电压表档位） 。 图 2-4涡流传感器静态标定电路 （3）适当调节传感器高度，使其与被测铁片接触，电压表从零开始读数，调测微头，每 隔0.5mm用示波器观察涡流变换器输入端的信号幅度变化，同时在表2-1 中记录直流数字 电压表的读数VFe。 （4）根据实验数据，在坐标纸上画出VFe X曲线，指出大致线性范围，求出线性区测 量灵敏度：S Fe  V Fe /X。 2.2. 研究被测体材料对电涡流传感器特性的影响研究被测体材料对电涡流传感器特性的影响 （1）取下平台上的铁测片，换上铝测片，安装好涡流传感器，调整好位置，装好测微头。 （2）接线同图 2-4，从传感器与被测铝片接触开始，旋动测微头改变传感器与被测体的 距离，每隔0.5mm用示波器观察涡流变换器输入端的信号幅度变化，同时在表2-2 中记录 直流数字电压表的读数VAl。 （4）根据实验数据，在坐标纸上画出V Al  X曲线，指出大致线性范围，求出线性区测 量灵敏度：S Al  V Al / X，并与铁测片相应的测量数据进行对比。 3.3. 电涡流传感器的应用——电机转数的测量电涡流传感器的应用——电机转数的测量 将直流电机的“+、-”极引线和涡流探头“ +、-”极引线分别接入稳压电源的两路输出 端，将探头端电压调到10V，涡流探头的信号线（黑色）接频率计红线，频率计黑线接电 源负极。调整直流电机的电压为5V、6 V、7 V、8V、9V、10V改变电机转速，用 频率计和光电转速表分别测量涡流探头的输出信号频率 f及电机转数n，将频率计的测量 数据转换 为转 数值：n f  60 f ，记录入数 据表 2-3，计算 转数测 量的 相对误 差：  (n  n f ) n 100% 4.(设计内容)用示波器也可测量频率、转速。请同学自己设计表格测出电机电压为6V、 8V、10V、12V 时的电机转速，写出测量方法和步骤。 【数据记录与数据处理】【数据记录与数据处理】 表 2-1电涡流传感器的静态标定——铁片 距离 X /