燕山大学传感器课程设计

目录摘要

电涡流位移传感器设计

一、设计要求

二、总体设计方案

三、电涡流传感器的基本原理

3-1电涡流效应和传感器等效电路 3-2电涡流形成的范围

四、传感器的结构形式

五、测量电路及分析

5-1 测量电路

5-2 电路各单元分解

六、实验数据及误差分析

参考文献

摘要

随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。

关键词：电涡流式传感器传感器技术电量非电量

电涡流位移传感器设计

一、设计技术要求

1、线性范围（mm）：1

2、分辨率（um）：1

3、线性误差：《3%

4、使用温度范围：-15~+80

二、总体方案设计

电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。根据下面的组成框图，构成传感器。

根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：

（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其损耗小，电性能好，热膨胀系数小。

（2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。

（3）测量电路：本电路拟采用变频调幅式测量电路。

三、电涡流传感器的基本原理

3·1、电涡流效应和传感器等效电路

电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转化为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化）从而进行非电量电测的。

根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变

上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。

电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：

为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可

以得到如图2-3所示的等效电路。

图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：

经求解方程组，可得I1和I2表达式：

由此可得传感器线圈的等效阻抗为:

从而得到探头线圈等效电阻和电感。

通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻

抗的作用。

因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数

关系：

其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。

3·2电涡流形成的范围

见资料

四、传感器的结构形式

电涡流传感器结构很简单，主要是由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈是用多股其保险或银丝绕制而成，一般放在传感器的端部，线圈可绕在框架的槽内，也可用粘接剂粘在端部，下图为CEF1型涡流传感器。

CEF1型框架用聚四氟乙烯制成，线圈绕在框架的槽内，其性能见下表。

表略

根据设计参数要求，CEF1-1000型传感器。

图3 涡流传感器

五、测量电路及分析

5-1测量电路

测量电路的任务就是把位移x的变化变换为电压或频率的变化。可以用三种类型的测量电路：电桥电路，谐振电路，正反馈电路。目前所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。

本次设计拟采用变频调幅式（调频调幅式）测量电路。

变频调幅式测量电路

该电路的核心是一个电容三点式振荡器，传感器线圈是震荡回路的一个电感元件。这种电路的测量原理是：当无被测导体时，回路谐振于f0，此时Q值最高，所以对应的输出电压U0最大。当非软磁材料制成的被测导体靠近传感器时，谐振峰右移，谐振频率增高为f1，谐振曲线由于Q值降低，而显得“矮胖”。所以这时对应的输出电压U1将降低。当被测导体进一步靠近传感器线圈时，谐振频率增高为f2，输出电压降为U2···。

当被测导体是软磁材料时，则随被测导体靠近线圈，谐振频率降低为f1，f2···，输出电压也由U0依次降为U1，U2···。这时得到的一组谐振曲线

如图所示。

5-2电路各单元分解

这个测量电路由三部分组成，即

（1）电容三点式振荡器（西勒振荡器）其作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转化成高频载波信号的幅值变化。为使电路具有较高的效率而自行起振，电路采用自给偏压的办法。适当选择振荡管的分压电阻的比值，可使电路静态工作点处于甲乙类。

从变频调幅式测量电路图可分析出线圈震荡电流由其中的西勒振荡电路提供。下图为西勒振荡电路。

西勒震荡电路图 图2 西勒振荡器是一种改进型的电容反馈振荡器， 它是克拉波电路的改进电路。这种电路频率稳定性高。因为可通过C4改变振荡频率，且接入系数不受C4影响，所以在整个波段中振荡

振幅比较平稳。真两点使西勒电路的频率能在比较宽的范围内调节。西勒振荡电路的频率为 ∑≈LC f π2/1 。 式中，4'133'2'2'13'2'1C C C C C C C C C C C +++=∑ 。其中，01'1

C C C +=；i C C C +=2'2 当13C C <<及23C C <<时，振荡频率为 )(21

430C C L f +≈π ,

与受输入输出电容（包括闲散电容）影响的1C 与 2C 无关，因此提高了振荡频率的稳定性。

西勒振荡电路的振荡频率可以通过改变4C 来调整。因

3C 比克拉波电路取值大！故频率

覆盖系数大，易调整，频率稳定度高，实际应用较多。

西勒振荡等效电路图 图3

上图为在实际应用中的西勒电路改进型，在实际应用中可用可调电感，而可调电容换成固定电容。在大多数电视机中大多采用西勒振荡电路。此时的振荡频率为 ∑≈LC f π2/1。

（2）检波器 检波器由检波二极管和派形滤波器组成，采用派形滤波器可适应电流变化较大，而又要求波纹很小的情况，可获得平滑的波形。检波器的作用是将高频载波中的测量信息不失真的取出。

LC 滤波器在二极管之后如图所示，

LC 滤波电路

由于二极管有单向导通性，因此有部分正弦波经由二极管，而形成半波正弦波。在通过下部LC 低通滤波器滤去交流分量。从而输出直流分量

（3）射极跟随器由于射随器具有输入阻抗高、输出阻抗低，并有良好的跟随特性等优点，所以用来作为输出极以获得尽可能大的不失真输出幅度。

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