使用电涡流传感器测量直流电动机转速的优化方法

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解电涡流效应，掌握电涡流传感器的结构、工作原理，会利用电涡流传感器完成测量直流电动机转速的实验。

二、任务分析

练习

（1）电涡流传感器的工作原理是________效应，可以准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面的相对位置。

（2）电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率σ、磁导率μ、表面因素r、激励电流的频率f、线圈到被测金属导体的距离x 及用于励磁的正弦交流电流i1 等参数有关。电涡流线圈等效阻抗Z 的函数表达式为：Z＝R＋jωL＝f（i1，f，μ，σ，r，x），如果控制式中的i1、f、μ、σ、r 不变，电涡流线圈的阻抗Z 就成为间距x 的单值函数，这样就成为非接触地测量________的传感器。

（3）电涡流传感器用于转速测量时，在金属旋转体上开6 个槽，在靠近金属旋转体的地方安装一个电涡流传感器，当转轴转动时，传感器周期性地改变着与旋转体表面之间的距离，其输出也周期性地变化，此信号经放大、变换后，频率计的读数为20 Hz，则转轴的转速为________r／min。

思考

电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率σ、磁导率μ、表面因素r、激励电流的频率f、线圈到被测金属导体的距离x 及用于励磁的正弦交流电流i1 等参数有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，其余参数不变，那么除了位移传感器，还可以构成哪些传感器呢？

三、任务实施

1.认识实验台中的电涡流传感器及其实验模块

本任务中使用的电涡流传感器及其对应的电涡流传感器实验模块如图4-43和图4-44所示。被测对象直流电动机安装在转动源上，带动转动盘一起转动。

图4-43　电涡流传感器

图4-44　电涡流传感器实验模块

2.电涡流传感器测量转速的工作原理

转动源上的直流电动机带动转动盘旋转，转动盘边缘均匀分布12 个小孔，其中6 个孔是空的，6 个孔是塞入磁钢的，并且空孔和磁钢间隔分布，当空孔经过电涡流传感器下方时，电涡流传感器模块输出电压较低（低电平），当磁钢经过电涡流传感器时，电涡流传感器模块输出电压较高（高电平），形成一个脉冲信号，转动盘转动一圈，共输出6 个脉冲信号。将脉冲信号送入频率／转速表计数显示，转速与脉冲信号频率之间的关系为：

式中 f——脉冲信号频率；

p——每圈输出脉冲信号的数量。

3.任务实验步骤

1）安装电涡流传感器。将电涡流传感器安装到转动源支架上，引出线接电涡流传感器实验模块，使电涡流传感器距离转动盘上的检测点（磁钢）2～3 mm，如图4-45所示。

2）电涡流传感器测量转速电路接线。从实验台将＋15 V 电源接至电涡流传感器实验模块上，将电涡流传感器实验模块的输出接至频率／转速表，频率／转速表选择“转速” 输出。将直流电源接至转动源的“转动电源” 端，如图4-46所示。

图4-45　电涡流传感器安装图

图4-46　电涡流传感器测量转速电路接线图

3）电涡流传感器测量转速。将直流电源选择开关拨至＋4 V，合上实验台电源。直流电动机带动转动盘开始旋转，频率／转速表读数从零开始上升。将直流电动机转速稳定之后，观察频率／转速表的读数。

将直流电源选择开关拨至＋4 V、＋6 V、＋8 V、＋10 V、12 V（ ± 6 V）、16 V（ ±8 V）、20 V（ ±10 V）、24 V，待直流电动机转速稳定之后，记录频率／转速表的读数，填入表4-7中。

表4-7　不同驱动电压对应的电动机转速

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。(www.xing528.com)

4.数据处理

根据表4-7数据，绘制驱动电压与转速关系曲线（U-n 曲线），如图4-47所示。

图4-47　电涡流传感器U-n 曲线

5.任务内容与评分标准

任务内容和评分标准见表4-8。

表4-8　电涡流传感器转速测量评分表

四、任务拓展

电涡流传感器除了能够检测直流电动机的转速外，还可以检测物体的位移、振动、材料厚度等。利用电涡流传感器及其对应的实验模块还可以测量微小位移，按照具体实验步骤操作，看看电涡流传感器能够测量的最小位移为多大，并与任务一的霍尔传感器测量位移精度比较一下。

1.仪器设备及器材

直流电压表、直流稳压电源、电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、铁圆盘、测微头等。

2.工作原理

通过高频电流的线圈产生磁场，当有金属导体接近时，因金属电涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

3.实验步骤

（1）安装电涡流传感器和测微头

按图4-48安装电涡流传感器，在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。

图4-48　电涡流传感器安装图

（2）电涡流传感器测量位移电路接线

按图4-49所示将电涡流传感器连接线接到实验模块上标有“” 的两端，实验模块输出端Uo 与直流电压表输入端Ui 相接。直流电压表量程选择20 V 挡，实验模块电源用连接导线从实验台接入＋15 V 电源。

图4-49　电涡流传感器测量位移电路接线图

（3）电涡流传感器测量位移

打开实验台电源，记下直流电压表读数，然后测微头每移动0.2 mm 记录一次数据，直到输出几乎不变为止，将读数计入表4-9中。

表4-9　电涡流传感器实验模块输出电压与位移的关系

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表4-10。

表4-10　电涡流传感器位移测量评分表