位移涡流传感器设计电路.docx
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位移涡流传感器设计电路
成绩评定：
传感器技术
课程设计
题目位移电涡流式传感器测量
目录
一、设计目的3
二、设计任务与要求3
2.1设计任务4
2.2设计要求5
三、设计步骤及原理分析5
3.1设计方法6
3.2设计步骤7
3.3设计原理分析8
四、课程设计小结与体会9
五、参考文献10
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：
传感器涡流电路
一、设计目的
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，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。
（2）传感元件:
前置器是一个用环氧树脂灌封并带有导线的装置，测量电路完全装在前置器中。
（3）测量电路：
是由涡流传感器构成，将测量信息转换为直流电量输出。
本电路采用西勒振荡电路产生振荡频率，在经过滤波产生直流电量。
二、设计任务与要求
2.1 电涡流传感器工作原理
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1所示：
2.2 电涡流传感器等效电路分析
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
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。
2.3 电涡流传感器测量电路原理
3、设计步骤与原理分析
电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。
本设计采用涡流转换器，其工作原理是谐振式调幅电路。
图3
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。
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此时其振荡波形，有实验可得，其电压峰峰值为1.8V，周期为21ms如图所示
图4
传感器由发射线圈L1和接受线圈L2组成，它们分别位于被测金属板的两侧。
当低频激励电压加到线圈L1两端时，将在L2两端产生感应电压。
若两线圈之间无金属导体，L1的磁场就能直接贯穿L2，这时电压达到最大。
当有金属板后，其产生的涡流削弱了L1的磁场，造成电压下降。
金属板厚度越大，涡流损耗的就越大，电压也就越小。
因此可用电压大小反应金属般的厚度！
而且对于不同材质的特性不通所得的实验现象也不相同。
以下为高频低频和有无金属板的实验波形对比。
在低频激励下无金属导体时传感器两端的波形为下图所示图5
传感器由发射线圈L1和接受线圈L2组成，它们分别位于被测金属板的两侧。
当低频激励电压加到线圈L1两端时，将在L2两端产生感应电压。
若两线圈之间无金属导体，L1的磁场就能直接贯穿L2，这时电压达到最大。
当有金属板后，其产生的涡流削弱了L1的磁场，造成电压下降。
金属板厚度越大，涡流损耗的就越大，电压也就越小。
因此可用电压大小反应金属般的厚度！
而且对于不同材质的特性不通所得的实验现象也不相同。
以下为高频低频和有无金属板的实验波形对比。
四、课程小结及个人体会
在这几天的课程设计中我学到了许多，既有有因无从下手和失败而迷茫和沮丧，也有获得成功后的沾沾自喜。
而且发现自己的知识储备实在太少。
五、参考文献：
【1】贾伯年传感器技术东南大学出版社2007
【2】林志琦信号发生电路原理与实用设计人民邮电出版社2010【3】ArthurB.Williams著宁彦卿译电子滤波器设计科学技术出
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