电涡流位移传感器的原理及其静态标定方法
高精度电涡流传感器的标定研究
高精度电涡流传感器的标定研究一、引言电涡流传感器是一种用于测量金属导体表面缺陷的传感器。
它通过感应导体中的涡流来测量金属表面的缺陷和变化，具有高灵敏度、高精度、高分辨率的特点，被广泛应用于工业领域的材料检测、尺寸测量等领域。
由于电涡流传感器的灵敏度和分辨率较高，其标定工作也相对复杂，需要精准的标定方法来确保其测量精度和稳定性。
本文旨在通过对高精度电涡流传感器的标定研究，探讨标定方法和技术，以提高传感器的性能和稳定性，为相关领域的应用提供技术支持。
二、电涡流传感器基本原理电涡流传感器通过感应金属导体表面的涡流来实现对金属缺陷和变化的测量。
当传感器与金属表面接触时，传感器产生的高频电磁场会感应金属表面中的涡流。
由于涡流的存在会改变电磁场的分布，传感器可以通过测量这种电磁场的变化来实现对金属表面的测量和检测。
三、电涡流传感器标定方法电涡流传感器的标定方法可以分为静态标定和动态标定两种。
静态标定是指在不进行金属检测的情况下，通过对传感器本身的参数进行标定，以确保其测量精度和稳定性；而动态标定是指在进行金属检测时，通过对测量信号和金属表面进行相关分析，以进一步提高传感器的性能和稳定性。
静态标定方法主要包括检定仪器的基本性能参数，并进行误差分析和校准。
常用的静态标定方法包括零点校准、增益校准、非线性校准等。
零点校准是通过在不进行金属检测的情况下，将传感器输出的信号调至零点位置，以保证传感器在无信号时输出为零；增益校准是通过调节传感器的增益参数，使得传感器更好地适应不同材料和表面的变化；非线性校准是通过对传感器输出信号的非线性特性进行修正，以提高传感器的测量精度。
动态标定方法则主要包括对金属表面的特征分析和信号处理。
传感器在实际应用中往往会受到金属表面的各种变化和干扰，因此需要通过对金属表面特征的分析和处理，以提高传感器的稳定性和准确性。
常用的动态标定方法包括信号滤波、数据采集和分析、自适应修正等。
为了实现对电涡流传感器的有效标定，通常需要建立一个完整的标定系统。
电涡流传感器位移实验
电涡流传感器位移实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图22.1.1所示。
根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。
我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图22.1.2的等效电路。
图中R1、L1为传感器线图22.1.1 电涡流传感器原理图图22.1.2 电涡流传感器等效电路图圈的电阻和电感。
短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。
线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。
因此传感器线圈的复阻抗为：线圈的等效电感为：线圈的等效Q值为：Q＝Q0{[1-(Ｌ2ω2Ｍ2)/(Ｌ1Ｚ22)]／［1+(R2ω2Ｍ2)/(R1Ｚ22)］}式中：Q0 —无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；Ｚ22—金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。
由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。
因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。
虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。
其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。
位移测量及静态标定实验报告
位移测量及静态标定实验报告一、实验目的掌握常用的位移传感器的测量原理、特点及使用，并学会进行静态标定。
二、实验仪器CSY10B型传感器系统实验仪。
三、实验内容（一）电涡流传感器测位移实验1、测量原理：电涡流效应：扁平线圈中通以交变电流，与其平行的金属片中产生电涡流。
电涡流的大小影响线圈的阻抗Z。
Z = f（ρ，μ，ω，x）。
不同的金属材料有不同的ρ、μ，线圈接入相应的电路中，用铁、铝两种不同的金属材料片分别标定出测量电路的输出电压U与距离x的关系曲线。
2、测试系统组建电涡流线圈、电涡流变换器（包括振荡器、测量电路及低通滤波输出电路）、测微头、电压表、金属片（铁片和铝片）。
3、试验步骤①分别安装传感器、测微头；②连接电路；③依次用铁片、铝片进行位移测量，依次记录U(V) 铁片U(V) 铝片X/mmU(V) 铁片U(V) 铝片X/mmU(V) 铁片U(V) 铝片4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，确定量程范围（在实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器的位移量程），估算非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。
（二）光纤传感器测位移实验1、测量原理反射式光纤传感器属于结构型, 工作原理如图。
当发光二极管发射红外光线经光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电元件。
经光电元件转换为电信号。
经相应的测量电路测出照射至光电元件的光强的变化。
2、组建测试系统光纤、光电元件、发光二级管、光电变换测量电路、数字电压表、反射体(片)、测微头。
3、实验步骤①观察光纤结构；②安装光纤探头、反射片；③连接电路；④旋动测微仪测位移，记录位移及测试系统的输出电压。
4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器的位移量程，估算非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。
（三）电容式传感器测位移实验1、测量原理电容式传感器是将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。
本实验采用的电容式传感器为二组固定极片与一组动极片组成二个差动变化的变面积型平行极板电容式传感器。
实验二：电涡流式传感器的静态标定
实验二电涡流式传感器的静态标定
一实验目的:
了解电涡流式传感器的原理及工作性能
二实验原理:
通以高频电流的线圈产生磁场, 当有导体接近时, 因导体涡流效应产生涡流损耗, 而涡流损耗与导电体的材料及线圈的距离有关, 因此可以进行位移测量。
三实验器材:
涡流变换器、F／V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。
四实验步骤:
(1)装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。
(2)观察传感器的结构, 它是一个扁平线圈。
(3)用导线将传感器接入涡流变换器输入端, 将输出端接至F／V表, 电压表置于２０Ｖ档, 见图１, 开启主、副电源。
图１
(4)用示波器观察涡流变换器输入端的波形。
如发现没有振荡波形出
现, 再将被测体移开一些。
适当调节传感器的高度, 使其与被测铁片接触, 从此开始读数, 记下示波器及电压表的数值, 填入下表:
建议每隔0.10mm读数, 到线性严重变坏为止。
根据实验数据。
在座标纸上画出Ｖ－Ｘ曲线, 指出大致的线性范围, 求出系统灵敏度。
（最好能用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度）。
五实验结果
六注意事项:
被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行, 并将探头尽量对准被测体中间, 以减少涡流损失。
七实验心得
涡流传感器灵敏度和分辨率高, 线性度也很好, 在涉及到一些导体的位置移位等相关测量时, 使用涡流传感器可以很好的实现不接触测量, 而且电涡流传感器利用涡流效应, 可以用其测量导体内部的一些性质。
电涡流传感器特性与位移测量实验
（操作性实验）班级：学号：学生姓名：实验题目：电涡流传感器特性与位移测量实验一、实验目的1、掌握电涡流传感器的特性和工作原理。
2、掌握电涡流传感器静态特性的标定方法。
二、实验仪器及器件电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微仪、示波器、电压表。
三、实验内容及原理3.1实验原理电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。
当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。
将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
3.2实验内容1、利用所需部件，连接一个利用电涡流位移传感器测量位移的测试系统。
2、掌握实验原理，列出实验步骤。
3、根据实验步骤进行测量。
4、记录测量数据，最少测5组数据。
5、根据数据描出实验曲线。
6、计算实验数据，得出电涡流位移传感器静态特性。
三、实验步骤1．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。
安装好测微头，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，用测微仪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。
用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHz。
3．用测微仪带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。
涡流变换器中的振荡电路停振。
4．旋动测微仪使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm 记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。
将V、X数据填入下表四、实验测试数据表格记录表1五、实验数据分析及处理1、非线性度：图一线性方程为y = -1.9757x - 1.5198表2非线性度%88.426.6277.0max 1==∆=FS y e 2、灵敏度-1.975S =∆3、重复性图二%63.026.604.0max ==∆=FS R y e4、迟滞%76.126.611.0e max ==∆=FS t y1正-2正 0 0.01 0.04 0.01 0.02 0.01 0.02 0.02 0.01 -0.01 1正-3正 -0.04 0 0.03 0.01 0.01 0 0.010.010 0 2正-3正-0.04-0.01-0.01-0.01-0.01-0.01 -0.01-0.010.011正-1反 0.09 0.06 0.06 0.08 0.1 0.07 0.07 0.07 0.07 0 2正-2反 0 0.04 0.01 0.07 0.07 0.06 0.05 0.04 0.05 0 3正-3反0.110.050.030.060.090.350.050.040.03六、实验结论与感悟 1、实验结论1实验结论 非线性度%88.426.63055.0max 1==∆=FS y e 灵敏度-1.9757S =∆ 重复性%63.026.604.0max ==∆=FS R y e迟滞%76.126.611.0e max ==∆=FS t y2实验心得在本次实验中，我了解了电涡流传感器的特性及工作原理，掌握了振荡频率与输出电压的关系，掌握了电涡流式传感器的静态标定方法。
电涡流传感器的特性分析与标定方法_刘柱
图 １ 电涡流传感器测量位移示意 《 （ ） 机械与电子 》 ２ ０ 特性分析与标定方法
设计与研究
１． ２ 电涡流传感器特性与被测体尺寸的关系 采用 电 涡 流传 感 器测量时， 传感器在被测金属 导体表面产生的电 涡 流 会 渗 透 到 金 属 导 体 内 部 ， 一 般定义电涡 流 强 度 减 小 到 表 面 强 度 ３ ７％ 时 的 渗 透 深度为标准 渗 透 厚 度 ， 用δ 表 示 。 在 用 电 涡 流 传 感 器进行位移的测量 时 ， 要求电涡流传感器在被测金 属内部产生的涡流不会完全透射金属导体 。 由于被 测金属 导 体 在 ３ 倍 标 准 渗 透 厚 度 ３ δ 处的电涡流强 度为表面处电涡流强度 的 ５％ ， 因此认为超过３ δ厚 度的金属导 体 ， 电涡流传感器不能穿透
图 ２ 标定试验平台
·１ ５·
设计与研究 光位移传感器和电涡流传感器输出的信号经信号处 然后电压信号由 Ｎ 理模块转化 为 电 压 信 号 ， Ｉ测 试 系统进行采集 ， 采集 到 的 信 号 最 终 传 给 上 位 机 进 行 显示和分析 。 ２． ２ 实验结果与分析 选择非磁性金属导体材料的铝、 不锈钢以及磁 以确定不同金 性金属导体材料 ４ ５ 号钢来进行测试 ， 属导体材料对电涡流传感器测量位移的影响 。 该实 验过程中 ， 存在 一 个 固 定 距 离 为 ２． ６ ｍｍ 的 标 定 零 位参考位置 ， ３ 种金 属 导 体 材 料 的 外 形 尺 寸 均 为 ９ ０ ｍｍ×３ ５ｍｍ×１ ４ｍｍ。 实验过程中 ， 采 用 多 组 重 复 测 量 的 方 式。每 种 材料重复测试 １ 每组测量时以标定零位为参考 ０组， 上下各取 １ 每个测量点间隔位移 位置 ， ９ 个 测 量 点， 为 ０． 从 ０． ０ １ｍｍ， １ ９ ｍｍ 开 始 一 直 到 －０． １ ９ ｍｍ， 分别对 应 序 号 为 １ 共计３ ９ 到 －１ ９， ９ 个 测 量 点。由 于实验的测量数据较多 ， 将只列出一部分数据 ， 测量 结果如表 ２ 所示 。
电涡流传感器系列实验
电涡流传感器系列实验实验一：电涡流传感器的静态标定摘要：电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
①1实验目的了解电涡流式传感器的原理及工作性能2实验所用仪器设备涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主副电源②3实验原理通以高频电流的线圈产生磁场，当有导体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体的材料以及和线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
②4实验步骤（1）装载好传感器（2）连接电路，电压表置于20V档，开启主副电源（3）用示波器观察涡流变换器的输入端波形（4）调节传感器的高度值，改变高度，记下示波器及电压表的示数5实验结果与分析(1)涡流变换器输入端的波形为正弦波，示波器的时基为μs/cm(2)改变传感器的高度值，记录电压表示数，记录如下表V—X曲线如下图所示由曲线，我们可以得到灵敏度为K==mm，由此可以看到涡流传感器灵敏度高，分辨力高。
6实验心得与建议该涡流传感器测量灵敏度高，分辨力高，线性度也很好，在涉及到一些导体的位置、位移等相关测量时，使用涡流传感器可以很好的实现不接触测量。
而且电涡流传感器利用的是涡流效应，可以利用其进行导体内部的一些性质。
7思考拓展1：位移传感器的静态自动标定与实验研究传感器作为自动控制系统和信息系统的关键器件其技术水平直接影响自动化系统和信息系统的整体水平。
自动化技术水平越高对传感器技术依赖程度越大，传感器产业以其技术含量高，渗透能力强，经济效益好，市场前景广等优点被公认为是国内外具有发展前途的高技术产业，受到全社会的瞩目。
电涡流式传感器的静态标定
电涡流式传感器的静态标定
一、实验目的：
了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
二、实验原理：
电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。
当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X
距离有关。
将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的
`单值函数。
三、实验仪器：
电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微仪、示波器、电压表。
四、实验步骤：
1.安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。
安装好测微头，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，用测微仪将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出
端有一定电压值输出。
用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。
3．用测微仪带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器
输出电压为零。
涡流变换器中的振荡电路停振。
4．旋动测微仪使平面线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0．25mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。
将V、X数据填入表格，作出V－X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。
五、注意事项：
当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小。
或是使传感器在初始状态有一死区，工作电压范围变小。
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电涡流位移传感器的原理及其静态标定方法电涡流是20世纪70年代以后发展较快的一种新型传感器，它广泛的应用在位移震动检测、金属材质鉴别，无损探伤等技术领域。
实验目的：
了解电涡流位移传感器的结构和工作原理。
了解电涡流位移传感器的静态标定方法。
实验原理
结构：变间隙式是最常用的一种电涡流传感器形式，它的结构很简单，由一个扁平线圈固定在框架上构成。
线圈用高强度漆包铜线或银线绕成，用粘结剂粘在框架端部或是绕指在框架槽内。
线圈框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用高频陶瓷、聚四氟乙烯等。
由于激励频率较高，对所用的电缆和插头也要充分重视，一般使用专用的高频电缆和插头。
工作原理：在传感器线圈中通以高频电流，则在线圈中产生高频交变磁场。
当到点被测金属板接近线圈，并置于线圈的磁场范围内，交变磁场在金属板的表面层内产生感应电流，即电涡流。
电涡流又产生一个反向的磁场，减弱了线圈的原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化，这些参数的变化与导体的几何形状、电导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈与被测导体间的距离有关。
如果控制上述参数的变化，在其他条件不变的情况下，仅是线圈与金属板之间距离的单值函数，从而达到测量位移间隙的目的。
测量电路
当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。
这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙呈近似线性关系。
由于输出电压的频率始终恒定，因此称为定频幅式。
这种电路采用适应晶体振荡器，旨在获得高稳定度频率的高频激励信号，以保证
稳定的输出。
实验仪器与材料
电涡流位移传感器静态标定系统
Hz-8500探头前置器
8511型电涡流探头
电涡流传感器测量装置
高精度数字万用表。
实验内容：
实验一：被测金属板采用铝质板，测量U-x 关系曲线。
实验二：被测金属板仍采用铝质板，但直径较小，测量U-x 关系曲线。
实验三：被测金属板采用铁板，测量U-x 关系曲线。
5、实验数据：
实验一数据：
6、实验要求：
1、画出（实验一）中的U-x 关系曲线，确定传感器的线性工作范围计算传感器的灵敏度。
答：线性工作范围：由画出的U-X关系曲线可以看出其线性工作范围在0~13 灵敏度：(15.4-1.78)/13=1.048
（2）（实验二）中的输出电压增大说明直径较小的铝质板的电涡流效应大还是小？
答：直径较小的铝质板的电涡流效应更小
（3）（实验三）中的输出电压增大说明铁板比铝质板的电涡流效应大还是小？
答：铁板比铝质板的电涡流效更大
（4）在传感器与金属板之间加入纸、塑料等物，对测量电压输出有无影响？加入金属板后的情况如何？为什么？
答：加入纸张等没有影响，加入金属板后有影响，改变了磁场。