电涡流位移传感器原理及静态标定方法

电涡流传感器广泛应用在位移振动监测、金属材质鉴别、无损探伤等技术领域。

1.实验目的

①了解电涡流位移传感器的结构和工作原理。

②了解电涡流位移传感器的静态标定方法。

2.实验原理

1）结　构

变间隙式电涡流传感器是最常用的一种电涡流传感器，它由一个扁平线圈固定在框架上构成，如图11.12所示。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制，用黏结剂粘在框架端部或绕制在框架槽内。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、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、氮化硼和聚四氟乙烯等。由于激励频率较高，一般使用专用的高频电缆和插头。

图11.12　变间隙式电涡流传感器的结构

2）工作原理

如图11.13所示，在传感器线圈中通以高频电流（通常为2.5 MHz左右），则在线圈中产生，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化，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。

图11.13　电涡流传感器的基本原理

3）测量电路

图11.14是定频调幅谐振电路的原理框图。图中，L为传感器线圈电感，与电容C组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在无被测导体时，LC并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大。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（位移）呈近似线性关系。输出电压的频率始终恒定，因此称为定频调幅式。

图11.14　定频调幅谐振电路的原理

3.实验仪器与材料

①电涡流位移传感器静态标定系统

电涡流传感器的静态标定系统由静校器、测量电路、高稳定度稳压电源、数字电压表、被测导体及被校传感器组成。如图11.15所示，被校传感器固定于静校器上，传感器输出接到测量电路中，测量电路由稳压电源供电，输出电压用数字电压表记录。被测导体与静校器的千分尺连接，旋动千分尺，被测导体和电涡流传感器之间便有相对位移。

图11.15　电涡流传感器静态标定系统示意图

②HZ-8500探头前置器

·电源：UT＝－24 V

·输出灵敏度：0.8 V/mm（金属板材质45）

·测量范围：0～15 mm(www.xing528.com)

·加长电缆：4 m

③85811型电涡流探头

④电涡流传感器测量装置

图11.16所示为电涡流传感器测量系统的前面板。

图11.16　电涡流传感器测量系统前面板

⑤高精度数字万用表

4.实验内容及步骤

①测量系统输出电压U（V）和距离x（mm）之间的关系

被测金属板采用铝质板，测试时，转动微调机构（千分尺），使金属板与传感器端面吻合，即x＝0，记下相应的输出信号电压值；然后反转千分尺，记下不同的x值时的电压读数，逐一填入表11.5中，根据所测得的数据，绘出传感器的U-x特性曲线。

表11.5　实验结果（Ⅰ）

②被测金属板仍采用铝质板，但直径较小，重复实验步骤①的内容，并记录实验结果于表11.6中。

表11.6　实验结果（Ⅱ）

③选择不同材质的金属板（45#钢板、铜板），直径大小与步骤①相同，重复上述试验过程，记录实验数据，并填入表11.7和表11.8中。

表11.7　实验结果（Ⅲ）

表11.8　实验结果（Ⅳ）

思考：在传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，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？

5.实验报告要求

①简述电涡流传感器的结构及基本工作原理。

②根据实验结果，给出实验步骤①～③的表格数据，并分别画出其标定的U-x特性曲线。

③根据U-x特性曲线分析被测金属板直径大小对测量灵敏度的影响，以及不同材质的测试对象在使用上有何影响。

④根据实验结果，回答实验步骤③后的思考问题。