实验三 电涡流传感器实验
【预习重点】
1． 电涡流传感器的工作原理。
【实验目的】
1．了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
2．通过实验说明不同的材料对电涡流传感器特性的影响。 3．通过实验掌握用电涡流传感器测量振幅的原理和方法。 4．了解电涡流传感器在静态测量中的应用。 5．了解电涡流传感器的实际应用。 【学史背景】
在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入了瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验的活动中，极大地依赖于对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取和检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统，都要通过传感器转换为容易传输与处理的电信号。在工业生产和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息，大多数情况下是要获取被测信息的大小，即被测量的数值大小。这样，信息采集的主要含义就是取得测量数据。在工程中，需要有传感器与多台仪表组合在一起才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展，测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，电涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高等特点，应用极其广泛。
【实验原理】
电涡流式传感器由传感器线圈和金属涡流片组成，如图1。根据法拉第定律， 当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间会产生正弦交变磁场B1，可使置于此磁场中的金属涡流片产生感应涡电流I2，I2又产生新的交变磁场B2。根据楞次定律，B2的作用将反抗原磁场B1，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。由上可知，传感器线圈的阻抗发生变化的原因是金属涡流片的电涡流效应。而电涡流效应又与金属涡流片的电阻率、磁导率、厚度、温度以及与线圈和导体的距离x有关。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则阻抗Z只与距离x有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压U输出，则输出电压U是距离x的单值函数，确定U和x的关系称为标定。当电涡流线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的
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电压信号。
图 1
【实验仪器】
CSY10型传感器系统实验仪：是一个综合性的实验仪器，它综合了多种传感器，可以做几十个传感器实验，包括电涡流传感器、电感传感器、电容传感器、压力传感器、光纤传感器等，其整体是由若干个功能独立的部件组成的。本次实验所需的部件有：电涡流线圈，电涡流变换器，电压/频率表，直流稳压电源，电桥，差动放大器，激振器Ⅰ，低频振荡器，测速电机及转盘，测微头，铁、铜、铝涡流片，砝码。
二踪示波器 【实验内容】
1.电涡流传感器的静态标定及被测材料对电涡流传感器特性的影响
（1）安装好电涡流线圈和铁质金属涡流片，注意两者必须保持平行。安装好测微头，按图2接线，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端，涡流变换器输出端接电压表20V档。
（2）开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出。
（3）用测微头带动振动平台使电涡流线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器中的振荡电路停振，涡流变换器输出电压为零。
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图2
（4）旋动测微头使电涡流线圈离开金属涡流片，并逐渐增大电涡流线圈与金属涡流片之间的距离，每移动0.25mm记录测微头的读数x和相应的涡流变换器输出电压U（注意：x是测微头的直接读数，可看成金属涡流片的位置坐标，不必从0开始），将数据填入下表。以U为纵坐标、x为横坐标做出U1～x曲线。 位置x（mm） 铁U1（V） （5）分别换上铜和铝两种金属涡流片进行测量，从电涡流线圈完全贴紧金属涡流片开始增大之间的距离(由于材料不同，对于铜和铝两种金属涡流片，涡流变换器初始输出电压不为零)，每移动0.25mm记录测微头的读数x和相应的涡流变换器输出电压U，将数据填入下面两个表中，在U1～x曲线的坐标系内再作出U2～x曲线和U3～x曲线。 位置x（mm） 铜U2（V） 位置x（mm） 铝U3（V） （6）分析三种不同材料被测体的线性范围、最佳工作点，并进行比较。从实验得出结论：被测材料不同时线性范围也不同，必须分别进行标定。
2.电涡流传感器电机测速实验
（1）将电涡流线圈支架转一角度，安装于电机转盘上方，尽量靠外，但不得超出转盘，使线圈与转盘面平行，在不碰擦的情况下相距越近越好。
（2）在图2电路的基础上，涡流变换器的输出端改接示波器，开启转盘的开关，调节转速，调整电涡流线圈在转盘上方的位置，用示波器观察，使涡流变换器输出的波形较为对称，从示波器读出波形的周期T，算出频率，则转盘的转速n=/2。
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3. 电涡流传感器的振幅测量
（1）卸下测微头，换上铁质涡流片，使电涡流线圈与涡流片离开一定距离（约1mm）。
（2）按图3接线，直流稳压电源置±10V档，差动放大器在这里仅作为一个电平移动电路，增益置最小处（1倍）。调节电桥WA，使系统输出为零。用导线接通低频振荡器和和激振器Ⅰ，此时可以看到振动圆台振动了起来，调节低频振荡器的频率，使其在15－30Hz范围内变化，用示波器观察涡流变换器输出的波形，再用示波器读出波形电压的峰峰值Up-p。
（3）变化低频振荡器的频率和幅值，提高振动圆盘的振幅，用示波器可以看到涡流变换器输出的波形有失真现象，这说明电涡流传感器的振幅测量范围是很小的。
图3
4.电涡流传感器的称重实验
（1）在图3电路的基础上，差动放大器的输出端改接电压表20V档。 （2）调整电桥WA，使系统输出为零。
（3）把测物平台放置于震动圆台上，在平台中间逐步加上砝码，记录砝码的质量W和相应的差动放大器输出电压U，数据填入下表。以U为纵坐标、W为横坐标做出U～W曲线。
（4）取下砝码，分别放上两个待测质量的物体，记录其对应的电压，根据U～W曲线大致求出待测物体的质量。 砝码质量W(g) 对应电压U(V) 【注意事项】 10 20 30 40 50 60 70 80 第4页 共4页
1．直流稳压电源的－10V和接地端接电桥直流调平衡电位器WA两端。 2．连接线端头插入连接孔时应稍加旋转，以保证接触良好，拔线时要捏住端头拔出，不要生拉硬拽。
【思考题】
1. 电涡流传感器是把什么物理量转换为什么物理量的装置？ 2. 电涡流传感器为什么可以测量电机的转速？ 3. 电涡流传感器可以用来称重是什么原理？
【附录】
一、用示波器测量信号的周期
1. 调整示波器的有关旋钮，使波形稳定（即不左右移动），显示1—2个周期，高度不要超出刻度区域；
2. 检查水平偏转旋钮，将端钮向右边旋转到校正（cal）的位置（即听到喀的一声即可），此时从根钮上读出的时间值是显示屏上横向一个大格所表示的时间t，读出波形一个周期所占的大格数n，则周期T = n×t。 二、用示波器测量信号的峰峰值Up-p
1. 调整示波器的有关旋钮，使波形稳定（即不左右移动），显示1—2个周期；高度不要超出刻度区域；
2. 将水平偏转旋钮旋转到X-Y的位置，此时显示屏上显示一条短斜线，将SOURSE拨动到另一档位，短斜线将变为短竖线。
3. 检查竖直偏转旋钮，将端钮向右边旋转到校正（cal）的位置（即听到喀的一声即可），此时从根钮上读出的电压值是显示屏上竖向一个大格所表示的电压v，读出显示屏上短竖线所占的大格数n，则峰峰值Up-p = n×v。
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