涡流传感

涡流传感（精选7篇）

涡流传感 篇1

德国米铱公司生产的电涡流位移传感器, 主要用于油膜厚度的在线精密测量。此电涡流传感器主要包括控制器 (DT3010-A, 适用于非铁磁材料的测量, 如铝材料) 和传感器探头 (U05, 0.5mm量程, 非屏蔽) 。传感器的线性度达到1.25μm, 静态分辨率达到0.025μm, 频率响应为25kHz, 可在-50～150℃的环境范围内使用, 传感器独特的温度补偿技术可以大大减小由于温升带来的测量误差。

电涡流传感器误差修正技术研究 篇2

电涡流传感器结构简单、可非接触连续测量、灵敏度较高、适应性强,因此得到了广泛的应用。电涡流传感器的精度受到材料的电阻率以及其化学成分、物理状态、特别是温度等因素的影响,因此应用电涡流传感器进行精密测量应考虑误差补偿。现有的误差补偿方法主要有硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿法是在传感器的信号调理电路中加入补偿模块来提升测量精度[1,2,3];软件补偿法通过先对误差数据进行建模,再根据模型从实测数据中剔除预测误差来达到补偿目的[4,5]。相对于硬件补偿而言,软件补偿具有经济高效、性价比高等优点,因此在实际应用中采用软件补偿法对电涡流传感器进行标定。

软件补偿最常用的建模方法是多元线性回归法,该法虽简单快捷,但精度提升效果有限。本文采用自回归分布滞后模型对电涡流传感器进行误差修正,大幅度提升了传感器的测量精度。通过与多元线性回归建模方法比较,论述了自回归分布滞后模型在传感器精度提升中的显著优势。

1 实验系统

笔者选用OD-900803-03-04-20-00型电涡流传感器进行实验,该传感器出厂指标如下:量程范围0.80～2.80mm;标准灵敏度2V/mm;分辨率0.5μm;测量精度10μm;工作电压24V。使用的标定测量仪器是亚微米电感测微仪(TESA ERONIC TT 80)。实验以钢为测量对象,两种仪器同步进行测量,获得电感传感器位移值与电涡流传感器的电压变化量。测量系统框图见图1。

实验以微动台为测量对象,将电涡流传感器的全量程(1000～5000mV)划分为80个等间距点。实验过程中旋动微动台,电涡流传感器每隔50mV记录一次电感传感器的位移值。电感传感器的位移值通过其自带的显示器输出,电涡流传感器的输出经电压转换器转换成相应的电压量,然后经数据采集卡采集,由计算机显示。部分实测数据如表1所示。

2 传感器自回归分布滞后建模误差修正技术适用范围分析

现行传感器电路设计中包含的非线性电路容易产生混沌现象与迟滞性,这是影响传感器测量精度的重要因素之一。根据表1所示数据分析可知,电涡流传感器输出电压在保证总体线性化的状态下(“有界”性),具有一定的非周期性误差波动(“非周期”性),且波动趋势与前面数据特征具有相关性(“敏感初条件”性),这符合混沌现象的“有界”、“非周期”和“敏感初条件”三个本质特征。混沌是局部不稳定与整体稳定的统一体,时间序列在用于混沌数据建模修正中具有较大优势。时间序列中的自回归分布滞后模型不同于多元线性回归模型,是在采用回归模型对整体稳定性建模的基础上,进行短期变化规律的精确预测。预测方法是根据预测对象过去的变化规律来预测其未来的变化, 即认为时间序列中每一时刻的数值都是事物内部状态的过去变化与外部所有因子共同作用的结果,至于影响因素的具体种类和数量以及产生机理则予以忽略,这样极大地降低了建模难度,从而使得自回归分布滞后模型相对于回归模型在中长期预测与短期预测实践中具有更高的精度。同时,数据显示,在短期非周期性误差波动中,数据电压输出值与其信号输出历史有关,具有迟滞性特征,而自回归分布滞后模型在解决此类问题时具有针对性。本文在电涡流传感器误差修正技术中采用自回归分布滞后模型进行预测补偿,有利于电涡流传感器非线性和迟滞等数据误差修正精度的提升。

3 自回归分布滞后模型

在理想情况下,系统可以达到一种均衡状态,若系统达到均衡状态,则不存在由内在因素打破这种均衡的状态。均衡可以分为两种:平稳均衡和非平稳均衡。当非平稳均衡系统受到外界干扰时,系统将无法回到均衡状态,而当平稳均衡系统偏离均衡点时,系统会在一定时期内回到均衡状态。对于单输入单输出系统而言,若输入变量xt(t=1,2,…,n)和输出变量yt平稳,则系统自然存在均衡状态。若xt和yt一直处于均衡点,则偏离均衡状态的误差εt=0。但系统会受到外界因素的影响,使得变量值相距均衡点存在一定偏差,这种偏离均衡状态的误差εt称为非均衡误差。非均衡误差中包含了外界影响因素的信息,若非均衡误差εt不为零,则在随后的一段时间里yt将受到系统作用而产生回到均衡状态的趋势,因此εt-1=f(yt-1,xt-1)存在一种误差修正机制。

如果因变量不但与自变量的本期值有关系,而且与其若干滞后值有关系,那么描述这种关系的模型称为分布滞后模型,记为

式中,εt服从正态分布;α为常数项;xt-i为自变量;βi为自变量的本期值与滞后值的系数;n为最大滞后期。

若一个或多个因变量的滞后值也作为自变量加入分布滞后模型,那么

这种模型称为自回归分布滞后模型,记为ADL(m,n,p)。其中,α0为常数项;yt-k为因变量的滞后项;m、n分别为yt-k和xj,t-i的最大滞后期;αk为因变量滞后值的系数;p为外生变量个数。

自回归分布滞后模型的输入输出必须是平稳的序列,才能使得其所描述的系统存在稳定均衡,模型才能具备误差修正机制。一个序列是否平稳,可以通过单根检验法来检验[6],对于非平稳序列,一般经过一次或两次差分即可使其平稳。以非平稳序列bt(t=1,2,…,n)为例,采用一次差分或两次差分后得平稳差分序列为

对平稳的差分序列Δt和Δ(2)t进行建模,获得模型参数后,按式(3)、式(4)中bt、Δt和Δ(2)t关系进行转化,可得到bt序列的自回归分布滞后模型。

建立自回归分布滞后模型时,通常使用AIC(akaike information criterion)信息准则和BIC(bayes information criterion)信息准则来进行最佳模型阶数选择。若某一阶数p使得模型的AIC值和BIC值最小,此时的阶数就是模型的最佳阶数。对不同阶数的ADL(m,n,p)模型,其AIC值和BIC值计算方法如下:

式中,k为内生变量个数;T为样本长度;$\widehat{\mathit{\epsilon }}$t为残差矩阵;d为外生变量个数;p为滞后阶数。

4 建模

根据实验数据建立多元线性回模型和自回归分布滞后模型。多元线性回归模型是一种利用统计方法寻求多输入单输出的模型,其通用表达式为

式中,Y为因变量观察值;β0、B为回归系数;X为自变量观察值矩阵;ε为随机误差向量。

以电涡流传感器的输出作为自变量,高精度电感传感器的输出作为应变量,采用最小二乘法估计参数,得到多元线性回归模型为

建立自回归分布滞后模型时,首先要对实验数据进行平稳性检验,通过单根检验可知,一次差分后实验数据平稳,因此实验数据经一次差分后方可用于建模;然后是确定模型的阶数,定阶准则为AIC信息准则和BIC信息准则,根据式(5)、式(6)可得AIC值和BIC值(表2)。

当模型的阶数p=2时,统计量SAIC和SBIC的值最小,因此自回归分布滞后模型定阶为2。确定阶数后就可以采用最小二乘法对模型进行参数估计,然后再把差分项还原,得到最终模型如下:

5 精度分析

模型的优劣可以通过拟合曲线直接地观察,也可以通过标准差衡量。多元线性回归模型和自回归分布滞后模型的拟合曲线如图2所示(其中,图2b为图2a中圆圈部分的放大图)。两个模型的残差如图3所示。

两个模型的标准差分别为多元线性回归模型3.3331,自回归分布滞后模型0.6245。从以上分析可得出,自回归分布滞后模型对原始数据的拟合精度要高于多元线性回归模型对原始数据的拟合精度,其标准差也要远远小于多元线性回归模型的标准差,因此在电涡流传感器标定中,自回归分布滞后模型精度比多元线性回归模型精度更高。

6 结语

自回归分布滞后模型存在一种误差修正机制,当误差为正时,说明yt相对于xt取值太大,在随后的期间里yt的值将有所回落,反之yt的值将有所上升,下一时期的yt值总是朝误差减小的方向运动,故自回归分布滞后模型在实践中对误差修正效果比较明显。本文针对电涡流传感器采用了自回归分布滞后模型给予误差修正,该法在其他传感器误差修正中具有同等效果,尤其是针对具有非线性等输出特征的混沌数据效果尤其明显。

参考文献

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[5]周宏威,刘德胜,祖海燕.基于SVM逆模型的电涡流传感器非线性补偿[J].传感器与微系统,2009,28(7):41-43.

电涡流传感器谐振电路的优化设计 篇3

谐振测量法是电涡流位移传感器测量电路的常用方法,它分为定频调幅和变频调幅调频法两种,由于定频调幅测量法频率稳定性高,动态性能好,因此在动态位移测量中,经常用到的是定频调幅测量法。由于其测量电路各参数的取值对检测效果的影响非常大,因此需要精心设计。然而对于电路中参数的选择,国内的参考文献并没有给出明确的方法。本文通过理论计算并经过大量的实验验证,给出了定频谐振电路中各参数的选择依据,对于传感器灵敏度的大幅度提高有重要的意义。

1 定频调幅法测量原理

利用电涡流效应测量位移时,通常激励线圈工作在较高频率,由高频激励电压通过耦合电阻R激励并联的敏感线圈L和谐振电容C,定频调幅测量电路原理图如图1所示,图中L表示电涡流传感器的敏感线圈,C为谐振电容,R为耦合电阻,加上恒定频率的激励信号Ui,并联部分相当于一个分压器,当此电路本身的谐振频率跟给定的频率相同时电路发生谐振,此时并联部分的阻抗最大,输出电压Uo也最大。

改变敏感线圈与被测物体之间的距离,由于电涡流效应,线圈的等效电感L发生了变化,激励信号的频率不变,故电路处于失谐状态,并联部分阻抗发生变化,输出电压Uo也跟着变化,根据文献[1]对电涡流的分析可知,在很小的范围内,输出电压的幅值跟位移成近似线性的关系。这就是定频调幅测量位移的原理。

定频调幅测量法因其动态性能较好,频率稳定性高,在电涡流传感器的设计中被广泛应用,尤其是在动态位移的测量中应用最为广泛[1]。

2 测量电路关键参数设计

定频谐振测量电路作为谐振测量法的一种,其测量电路各参数的取值对检测效果的影响非常大,直接影响到传感器的灵敏度与稳定性,因此需要精心设计。倘若设计不合理,即使后面的信号调理电路设计得非常巧妙,也不会得到很好的测量效果,大大降低电涡流传感器的灵敏度和稳定性,甚至产生非常严重的漂移现象。所以,谐振电路中,匹配电容、电阻参数的正确选择,成为了整个测量电路中最关键的环节之一。

定频调幅测量法的核心部分电路模型如图2所示,R1,L1为电涡流线圈的敏感线圈的等效电阻和等效电感,C为谐振电容,R为耦合电阻,Ui为高频激励信号,Uo为传感器两端电压信号,L2,R2为被测导体的等效电感和等效电阻,M为互感系数。输入一个频率稳定的高频激励信号Ui,利用电容C与电涡流线圈构成一个并联谐振回路,当被测物与电涡流线圈的距离发生变化时,由于电涡流效应,电涡流线圈与被测导体之间的互感系数M也将发生变化,从而输出电压发生变化[3]。

当电涡流传感器空载时,测量电路可以简化为图3所示,其中,R1,C1是谐振电路匹配电阻,L1,R2是涡流传感器探头线圈直流等效电感和等效电阻,undefined为输入激励信号, U0为L与R两端电压,也是传感器的输出电压。

电涡流传感器的灵敏度是指在稳态工作情况下输出量变化ΔU0对输入量变化ΔS (S指的是测量位移)的比值,由于测量位移的变化与电感L1是线性关系,所以灵敏度就可以转化为ΔU0与ΔL1的关系[1]。由上面的分析及其图3可知:L1与R2是电涡流探头线圈的固有参数,所以提高电涡流传感器灵敏度只能从耦合电阻R1与匹配电容C1的参数优化方面考虑。

2.1 匹配电阻R1的选择

目前对电阻R1的阻值大小的选择,一致说法是匹配电阻值越小其灵敏度越高,但也不能太小,说法一直比较含糊,而本人通过理论计算及分析,得出了灵敏度与匹配电阻大小的一般关系,通过比较发现,以前的说法并不完全正确。又通过大量的实验,证实了所提出的观点的正确性。

在图3的LC谐振网络中,当通有激励频率为ω/2π的信号时,LC并联网络的导纳为:

谐振网络两端的电压为:

undefined

两端对谐振电感求导数:

undefined

可知:由第二节的分析可知,涡流传感器灵敏度与undefined有关,且undefined越大,电压幅值随着等效电感变化的就越明显,则其灵敏度就越高,所以只要求出使得undefined达到最大值的电阻R1,便可得出传感器灵敏度达到最大时的电阻的参数。通过undefined对R1求导,可以很快捷的求出undefined与R1之间的函数关系。

由式(1)和式(2)可知,函数F(R1)的二阶导数存在拐点,R1在(0,Z1)区间,F(R1)递减,在(Z1,∞)区间,F(R1)递增。所以|F(R1)|最大点在:R1=0或R1=Z1或在R1→∞点处。表1是通过实验得出的数据:其中,U1是不同阻值电阻在同一初始位置处的电压值,这里为了方便,把不同阻值的电阻在初始位置处的电压统一调节为2.952V,U2是探头线圈从初始位置向金属板靠近20um时的电压值,ΔU是探头移动20um时电压的变化量。

ΔU与电阻的拟合曲线见图4。

由曲线可知:随着电阻增加,电压灵敏度是逐渐增大的,但是由于电阻值的增加,其输出振幅会大幅度的减小,因此选择具体阻值大小的时候,需要考虑这个因素。

2.2 匹配电容C1与灵敏度的关系

由谐振公式undefined可知:匹配电容C1的值取决于激励信号的频率。由于激励信号的频率与匹配电容C1是一一对应关系,以下为了方便,只讨论激励信号与灵敏度的关系。由于探头线圈品质因数与激励信号频率,等效电阻R1有关,而品质因数与涡流传感器的灵敏度成正比,但是由于关系式比较复杂,只能通过实验的方式来进行优化选择,以下是实验得来的数据:其中,U0为初始电压值,这里为了计算方便,将各激励频率下的初始位置处电压都调到4V,U1,U2,U3,U4分别为线圈探头靠近金属板,每移动10um时的电压值,U0-U1, U1-U2,U2-U3, U3-U4分别为探头线圈每靠近金属板10um的电压变化量,ΔU则为三个位置的电压变化量的平均值[4,5]。

为了比较直观的看出频率与平均电压变化量的关系,列出了频率电压直方图如下:

由于激励信号的频率与平均电压的变化量之间并没有什么明确的关系,只能根据实验结果做出相应的选择。提高激励信号的频率,虽然可以提高Q值,降低探头功耗,增大响应带宽。但是激励信号频率过高,会使得谐振电容过小,电缆(连接探头线圈与前置电路的导线)电容及探头项圈的线间电容对传感器的性能影响就会过大,不利于提高传感器性能,而且电涡流传感器必须工作在自谐振频率 (电感达到峰值的频率称为自谐振频率)以下,因此激励信号频率选择一般工作在100kHz～10MHz之间[1,5]。

3 结束语

本文主要研究了基于定频调幅法的电涡流传感器参数的选取,及其对传感器灵敏度的影响。通过正确的选择谐振电路中各元器件的参数,大大提高了传感器的原始灵敏度,降低了后期处理的难度,从整体上提高了传感器的信噪比和稳定性。此外,这种方法对其他电涡流传感器检测电路的设计也具有一定的参考价值。

摘要：讨论了电涡流传感器定频调幅测量电路,为了提高电涡流传感器的灵敏度,对定频调幅谐振电路进行了分析,建立了谐振电路的等效模型,对电路中各参数的选择进行理论分析,经过实验验证,证实了所提方法的正确性。

关键词：涡流传感器,参数优化,灵敏度,定频调幅

参考文献

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[2]王昌明,孔德仁,何云峰.传感与测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.379.

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[4]高松巍,刘云鹏,杨理践.大位移电涡流传感器测量电路的设计[J].仪表技术与传感器,2009(12).

新型电涡流传感器测量电路的设计 篇4

关键词：电涡流传感器,位移测量,调幅,调频

引言

在工程检测过程中, 有相当多物理量的检测可以归结、转化为某种机械位移量。为此提高检测仪器性能, 研制和选用性能优良的位移传感器是重要环节之一。随着检测精度的提高, 对传感器也提出了更高的要求, 要求传感器具有较高的灵敏度、准确度和较宽的动态范围, 具有较好的稳定性和能在恶劣环境中长时间工作的性能。

在很多场合, 要求对被测物体进行非接触测量。这是因为:传感器探头与被测体表面频繁接触, 将会损害被测体表面, 影响探头的使用寿命;在某些特殊场合下, 根本无法用接触的方法来测量, 如对高速旋转转轴的振动测量等。因此, 在非电量测量技术领域中, 非接触测量方法及仪器的研究, 一直是检测技术发展的一个重要方向。

1 恒定频率的载波调幅法

当位移发生变化时, 直接检测线圈的阻抗值的变化。通常采用电桥法测量, 其原理如图1所示。振荡器产生的高频振荡电流经过功率放大器放大后送给交流电桥, 当位移发生变化时, 将使线圈阻抗变化, 从而破坏电桥平衡, 电桥不平衡电压信号输出, 经过放大、检波以后, 其输出信号就反映了被测量的变化。

采用这种方法, 线路比较简单, 但阻抗与位移之间的函数关系线性范围较窄, 灵敏度低。所以阻抗Z值要做到良好的环境温度特性是比较困难的。由于这些缺点, 目前这种测试方法已经较少采用。

2 载波频率改变的调幅法

Q值是随着被测体之间的位移变化的, 通过测量线圈的Q值来确定位移的方法称为值测试法或调幅测试法。其原理电路框图如图2所示。将传感器线圈接入电容三点式振荡器的振荡回路中, 在无被测体时, 设回路谐振频率为f0, 此时输出电压即为谐振电压e。当被测体接近传感线圈时, 线圈的阻抗随之变化, 不但振荡器的谐振频率发生变化, 其振荡幅度也发生变化, 即谐振曲线不但向两边移, 而且变的平坦, 此时振荡器输出频率和幅值都发生了变化。我们取其输出电压为输出, 它直接反映了Q值的变化, 也就是反映位移量的变化。

另外Q值测试法对不同材料的被测体的适应性差, 需要有一套复杂的定标装置, 不适应被测材料经常变更的场合下使用。

3 调频法

位移的变化, 将使线圈的电感值发生变化, 直接检测电感变化的方法为电感测试法或调频测试法。其原理框图如图3所示。将传感线圈接入振荡回路, 当位移变化时, 传感线圈的L值相应的也发生变化, 从而引起振荡器振荡频率的变化, 通过F/V转换器进行解调, 将频率的变化转换为电压的变化。但由于频率与位移之间的非线性关系, 还需加线性化器矫正其非线性特性。该测量电路在减小温度对灵敏度的影响上明显优于Z值测试法和Q值测试法。因为 (2-15) 式中实数部分随温度变化的影响将不存在, 这样就可以大幅度地减小温度变化对灵敏度的影响。

4 测量方法的比较

目前电涡流传感器所配用的谐振电路有三种类型, 即调幅式、调频调幅式电路和调频式电路三种。这三种测量电路中, 从稳定性看, 调幅式电路为最佳, 主要由于调幅式采用了石英晶体振荡器, 其振荡频率比后两种测量电路采用的电容三点式振荡器要稳定些, 因而由于频率不够稳定引起的输出量的变化将会更小一些;从灵敏度来看, 调频调幅式比其它两种要高些;从测量线性范围来看, 调频调幅式略强于调幅式, 而调频式居第三位, 但调频结构最简单, 便于遥测、数字显示和与单片机接口连接。所以一般地说, 要求灵敏度高, 线性范围大可选用调频调幅式电路, 需要稳定性好可选用调幅式测量电路, 若考虑便于与单片机接口连接, 那么调频式测量电路就由其方便之处。这正是我们选调频式作为测量电路的原因所在。

5 结束语

本文首先阐述了电涡流传感器的工作原理;然后详细介绍了电涡流传感器的测量原理, 通过对电涡流传感器等效电路的分析得出三种测量电路:恒定频率的载波调幅法测量电路、载波频率改变的调幅法测量电路和调频法测量电路;最后对常用的调频法测量电路的原理进行了分析, 对这三种电路进行了性能比较, 我们设计的电涡流传感器测量电路广泛应用于油田、矿山、电厂和钢厂等领域, 得到了用户的一致好评, 具有一定的推广应用价值

参考文献

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[2]王军平.大量程电涡流传感器的研制[J].2001:43-48.

涡流传感 篇5

1 原理

1.1 杨氏模量的定义

假定长为L, 截面积为S的均匀金属丝在受到沿长度方向外力F作用下伸长ΔL, 由胡克定律可知, 在弹性限度内, 伸长应变ΔL/L与外施胁强F/S成正比:

E称为该金属丝的杨氏模量。式中F、L、S都比较容易测量, 但是在外力F作用下, 金属丝的长度变化ΔL是很小的, 不易测准。我们采用反射式电涡流位移传感器对微小伸长量ΔL进行测量。

1.2 电涡流位移传感器原理

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈, 在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场, 则在此金属表面产生感应电流, 与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场, 由于其反作用, 使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变 (线圈的有效阻抗) , 这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性, 则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F (τ, ξ, б, D, I, ω) 函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变, 则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数, 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。因此, 通过前置器电子线路的处理, 将线圈阻抗Z的变化, 即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化, 电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

其工作过程是:当被测金属与探头之间的距离发生变化时, 探头中线圈的Q值也发生变化, Q值的变化引起振荡电压幅度的变化, 而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压 (电流) 变化, 最终完成机械位移 (间隙) 转换成电压 (电流) 。由上所述, 电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半, 即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。

2 实验

2.1 实验装置

本实验采用电涡流传感器来测量钢丝的杨氏模量。实验装置示意图如图1所示。

金属丝为不锈钢钢丝, 长度为L的金属丝, 通过定滑轮在砝码的作用下伸长, 电涡流的探头固定在二维底座上, 可在螺旋测微器 (可精确到0.01mm) 的带动下测出左右移动的距离, 从而改变探头到被测铝片的位移, 被测铝片与钢丝固定在一起且垂直, 因而铝片与探头之间的距离即为钢丝伸长的距离。电涡流传感器采用±12VDC供电, 其输出接到数据采集器的模拟通道, 数据采集器将模拟信号转化为数字信号输出到计算机。

2.2 测量方法

2.2.1 电涡流位移传感器标定

为求出探测电压V与位移x之间的关系, 测量前应首先测出电涡流位移传感器的位移曲线, 方法是在钢丝下预置2kg砝码, 用螺旋测微器将光纤电涡流探头推向被测铝片, 当光纤探头与铝片即将接触时停止, 记下此时螺旋测微器的读数s0, 然后将螺旋测微器返回旋转。在此过程中, 每隔0.5mm记录下螺旋测微器的读数s1和电涡流传感器的输出电压值V, 做出电涡流探头和铝片间距离x=s1-s0与电压V输出之间的关系曲线, 由于钢丝伸长距离很小 (<0.5mm) , 因此, 每隔0.05mm记录一次数据, 直到伸长为0.550mm为止, 用origin拟合出直线方程, 如表1所示。

把钢丝伸长x作为自变量, 电压值y为因变2.162量, 画出钢丝伸长与电压值这间的关系, 如图2所示。

由图可见, 钢丝伸长x与电压值v成线性关系, 由于在实际的过程中, 钢丝伸长量<0.5mm, 因此取x为0～0.55mm范围内的图形用origin拟合, 拟合后直线方程为:

此方程即为探头与被测铝片之间位移x与电涡流传感器接收电压v之间的线性方程。

2.2.2 测量结果

记录下加载和卸载不同砝码所对应的电压输出, 由公式 (2) 计算出钢丝的伸长量ΔL, 及如表2所示:

实际测量时, 先在钢丝下接托盘上预置一个2kg的砝码, 使钢丝拉直作为加载起点, 调整好测量仪器后, 每次加一个200g的砝码, 同时记录电涡流传感器的输出电压值, 直到加入2.2kg砝码为止。测试装置中钢丝直径d=0.5mm, 钢丝有效长L=0.96m, 重力加速度g=9.8m/s2, 测量数据如表2所示。

由公式 (1) 可知, 杨氏模量:

查资料可知, 此种钢丝的杨氏模量为206×109Pa。

相对偏差: (205.37-206) /206=-0.3%。

3 结束语

用电涡流法测金属丝杨氏模量有以下优点:一是实验仪器简单、学生可自己搭建, 提高了动手能力和创新能力;二是与光杠杆法相比, 克服了过多参数引入的误差, 在金属丝的伸长量的测量上准确度提高, 可精确到0.01mm;三是与光纤位移传感器相比, 避免了外界光源带来的测量误差;四是与计算机相连, 利用软件测量、处理数据, 更加准确、方便、快捷。

摘要：用电涡流位移传感器对金属丝的微小伸长量进行测量, 从而计算出金属丝杨氏模量, 用origin拟合直线方程, 得出实验结果。与反射式光纤法相比, 该方法测量误差小, 准确度高。

关键词：杨氏模量,反射式,电涡流,位移,传感器

参考文献

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[5]何道清.传感器与传感器技术[M].北京:科学出版社, 2004.

[6]万志龙.Origin在动态法测量杨氏模量实验中的应用[J].技术物理教学, 2009 (2) .

[7]龚镇雄.普通物理实验[M].北京:人民教育出版社, 1981.

涡流传感 篇6

机械振动是各种机器工作过程中经常发生的现象, 是机械工程领域一个十分重要的研究课题。工程实践中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出准确的结论, 往往需要借助真实的测试手段。[1]。不仅如此, 理论分析结果的正确性也需要通过实践来验证, 可见振动测试在振动研究中占有十分重要的地位, 振动测试的内容包括:测出被测对象某些点的位移、速度和加速度, 在时域中测出振动信号, 通过频谱分析估计振动的振型, 进一步对设备实施故障诊断。

1 系统总体设计

系统由传感器的选取、信号调理电路、数据采集板卡、通信模块、上位机软测试系统软件组成。其中传感器是电涡流式振动位移传感器;信号调理电路是通过电量放电调理电路将传感器输出的微弱信号放大到与采集卡匹配且以低阻抗输出的电压信号, 此信号被数据采集卡转化为数字量信号由通信模块送至上位机软件系统出, 实现最终的测试显示;

2 系统硬件设计

2.1 传感器原理及选择

涡流检测是以电磁感应理论作为基础的。一个简单的涡流检测系统包括一个高频的交变电压发生器、一个检测线圈和一个指示器。高频的交变电压发生器或称为振荡器供给检测线圈以激励电流, 从而在试件周围形成一个激励磁场[2]。这个磁场在试件中感应出涡流, 涡流又产生自己的磁场。涡流磁场的作用是削弱和抵消激励磁场的变化, 而涡流磁场中就包含了试件的信息。检测线圈用来检测试件中涡流磁场的变化, 也就是检测了试件的信息变化。

图1和图2所示为电涡流式振动位移传感器以及测量振动图的原理, 图1是利用沿轴的轴向并排放置的几个电涡流传感器, 分别测量轴各处的振动位移, 从而测出轴的振型;图2是通过测轴振动时周期性的改变与其与电涡流传感器之间的距离, 因而电涡流传感器就输出幅值与轴的振幅成比例、频率与轴振动频率相同的电压。

2.2 信号调理电路

由于电涡流传感器就输出幅值与轴的振幅成比例、频率与轴振动频率相同的电压。而要把电压放大到数据采集卡能识别的电压, 还必须需要经过调理电路[3]。在A/D变换前要求得适合于A/D输入端的较大信号, 被测信号比较小需要放大, 而被测信号比较大时又需要衰减。

本系统选用一种仪表放大器来完成AD前端的信号调理设计, 仪表放大器是一种可以得到高精度, 高的稳定性, 较低的漂移等优秀的放大器, 原理图如图5所示。这种放大器由3个低漂移、低失调运放组成。

当取R1=R2、R3=R5、R4=R6时, 由运放“虚短路”和“虚断路”原理可得

而所以

取R1=10K, Rs=10K, R4=100K, R3=10K。增益为10, 该放大器输入阻抗高, 作前置放大器具有良好的特性。选用AD公司的AD620将R1~R6全部固定, 将Rs引出作为外接来决定增益。

3 系统软件设计

板卡固件程序是根据系统既定功能要求来设计的。程序设计与硬件电路设计一一对应, 每个硬件电路设计, 均有对应的子程序设计。在此, 限于篇幅, 不详细介绍子程序模块设计。系统固件总程序如图5所示。

此设备固件程序可以完成机床状态及运行参数监测、数据液晶显示并上传、接收上位监控机命令以及对电机实时控制等功能, 经模拟现场实测, 该设备运行良好, 可以有效保护电机, 避免事故。

4 结束语

本文通过对采用基于电涡流传感器构建了一个普通机床的振动测试系统, 解决了信号的采集, 放大, A/D, 以及最终的显示。整个系统设计简单, 容易实现, 且运行效果良好。

摘要：本文介绍了一种采用电涡流传感器来构建机床振动测试系统的设计。文中详细介绍了系统的硬件及软件设计, 并对系统构建的原理进行了剖析。

关键词：机床振动,电涡流式传感器,测试系统

参考文献

[1]周振安等.数据采集系统的设计与实践[M].地震出版社.北京.2005.[1]周振安等.数据采集系统的设计与实践[M].地震出版社.北京.2005.

[2]刘迎春等.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社.2004.[2]刘迎春等.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社.2004.

涡流传感 篇7

针对上述传感器材料敏感性问题,采用阻抗投影变换方法［2］,设计出能够消除材料敏感性的测量电路,并通过 11mm传感器测试实验验证测量电路消除材料敏感性的功能。

1阻抗投影变换原理1

用具有不同电磁特性的被测材料研究线圈的等效阻抗时发现,不同被测对象在相同的检测距离下,传感器线圈的等效电阻和等效电感存在近似线性关系。采用投影方法,将不同被测材料在相同检测距离下的线圈等效阻抗投影到等效投影面上,使这些不同的阻抗经投影后具有一个相同的值,从而消除传感器对被测材料的敏感性,其原理如图1所示。其中Zi为不同被测体在同一检测距离下的阻抗向量; Xi为不同的检测距离; 投影平面p与直线Xi垂直; 线圈阻抗Zi在向投影面上投影时,与纵轴的交点为Zpi,投影为Zp( Xi)。等效阻抗Zi的相位角为 i,Zi投影到水平面是等效电阻,投影到垂直面是等效感抗; θ 是投影平面与横轴的夹角。

Zi与Zp( Xi)的关系:

Zp( Xi)与Zpi的关系:

由式( 1) 、( 2) 可以得到:

通过投影的方法,同一检测距离下不同被测材料形成的线圈阻抗可等效到一个相同的值,从而消除材料的敏感性。

2测量电路设计

根据阻抗投影变换原理设计的测量电路结构如图2所示,包括振荡器、放大电路、V-I转换电路、移相器、相敏检波电路和非线性补偿电路。

2.1振荡器

MAX038集成芯片只需个别的外围元件就能产生从0. 1Hz ~ 20MHz的低失真正弦波、三角波及矩形波等信号［3］,具有精密、低失真、低温漂及外围元件少等特点。为减少电路的分立元件,采用集成的信号发生芯片产生1MHz的正弦波信号。其输出电压V0具有恒定幅值、相位和频率, 经放大后同时供给换流器和移相器。

2. 2放大电路

由于MAX038输出信号的幅值为2V,不利于后续电路的工作,而且会使相敏检波电路的输出电压过小而影响电路输出信号的进一步处理。为了调节正弦波信号的幅值,使其在合适的范围,采用具有更高输入阻抗和较低输出阻抗的同相比例放大电路进行放大,其放大倍数小于6。

2. 3移相器

移相器的作用是将放大的正弦波信号移动相应的角度,并要超前于激励信号。电路中移相器的输入为前级振荡电路产生的正弦波经放大后的信号Vs,输出为要得到的投影参考信号Vr。移相器设计电路如图3所示,当R1= R2时,| Vs| = | Vr| 、相频 θ = π - 2arctan ( ωR3C1) 。在信号频率一定时,只需合理选取R3和C1的值,即可得到移相的角度。移相的角度即为投影轴的角度,经实测投影角 θ = 143. 06°。

2. 4 V-I转换电路

V-I转换电路,即换流器,是将放大后的振荡器的输出电压Vs变换为电流源Is,给探头线圈提供稳定的高频电流。为了使电压信号准确反映探头线圈的阻抗信息,要求换流器的输出为恒流源。 电路结构如图4所示,求得Is= Vs/ R7,输出电流源只决定于输出电压Vs和电阻R7,与负载阻抗无关,实现了将输入电压转换为电流源的功能。

2. 5相敏检波电路

相敏检波电路是实现阻抗投影变换的关键电路。当输入信号和参考信号同频率时,检波电路的输出随两信号相位差的余弦而变化。相敏检波电路由乘法器和低通滤波电路组成［4］,其原理如图5所示。

设探头信号:

参考信号:

乘法电路的输出信号:

如果选择截止频率远小于2ω的低通滤波器,可滤除信号中的交流分量,输出直流分量,即低通滤波器的输出直流信号。

为此,选择高速、带宽、高乘法精度的HA1- 2556型四象限模拟乘法器,实现Vm在Vr方向上的投影变换。同时设计截止频率为10k Hz的三阶巴特沃斯低通滤波器,过滤乘法器输出的高频分量,并抑制噪声干扰,使得整个电路的工作更加稳定可靠。经滤波后,乘法器输出信号中的2MHz交流信号的幅值衰减为原来的1 /106。

2. 6非线性补偿电路

为获得良好的线性化补偿,以函数补偿法为基础［5］,通过模拟电路实现三次补偿函数的运算, 进而设计出线性化器。非线性补偿电路原理如图6所示,电路采用AD534模拟乘法器、AD620放大器和LM317稳压器。其中,AD534为四象限乘法器,最大误差0. 25% ; LM317稳压器通过改变调节电阻的值提供所需的3个基准电压V1、V2和V3; AD620对校正后的信号进行差动放大,仅需一个外部电阻来设置增益倍数A。电路中的输入与输出有如下关系:

由式( 7) ~ ( 9) 得出对相敏检波电路输出电压信号Vp补偿后的输出Vout= A ( V2× Vp- V1× V2p+ V3p- V3) 。当校正函数发生改变时,只需根据校正函数中的各项系数调整相应稳压电路的输出,就可以得到所需的补偿函数,实现输出线性化。

3实验测试结果

利用 Ф11mm传感器探头测得不同被测材料下传感器输出的电压值。在不同材料下对应的传感器输出特性曲线如图7所示。同时给出这些拟合直线的直线方程及线性拟合度等参数,见表1。

从图7和表1可以看出,经非线性补偿后,传感器输出的线性拟合度达到0. 999。同时由拟合直线的斜率和夹角得出,不同材料对应的拟合直线近似重合,这表明传感器在不同材料下的输出特性近似相同,能消除被测材料的影响。

计算材料敏感性误差。选择不锈钢材料为比较基准,将其他6种被测材料的输出值与其回归值作差。7种被测材料中,45#钢在1.25mm处对应的最大差值δ'max=0.072,传感器的材料敏感性误差,其中δ'max为7种被测材料的实际输出值与回归值的最大差值;UN为实测满量程输出值,此处UN=4V。

4结束语

在分析阻抗投影变换原理的基础上,设计的实现阻抗投影变换原理的测量电路,实现了消除传感器对被测材料的敏感性。通过实验测试,得出两个结论: 相敏检波电路实现了线圈等效阻抗的投影,完成了输出值的同一化,非线性补偿电路对7种被测材料的输出补偿具有良好的线性化结果; 从输出拟合直线的重合性得出测量电路的正确性,也实现了消除材料敏感性的功能,得到设计的 Ф11mm传感器的材料敏感性误差为 ± 1. 8% , 优于传统传感器。

摘要：被测材料的电磁特性会影响传感器的输出性能,限制其使用范围。为此,在分析阻抗投影变换原理的基础上,设计了一种能实现该原理的测量电路,用以消除传感器对被测材料的敏感性。11mm传感器输出测试实验的结果表明:所用7种被测材料经线性补偿后的输出特性曲线近似重合,可用一条直线替代,实现了消除材料敏感性的功能;计算出的传感器材料敏感性误差为±1.8%。