检测与仪表实验5,6

实验五电容式传感器的位移实验

一、 实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图7—1所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πｘ／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生?X位移时，电容量的变化量为?C =C1－C2=ε2π2?X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明?C与?X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图5—1 实验电容传感器结构

电容式位移传感器实验原理方块图如图5—2

图5—2电容式位移传感器实验方块图

三、需用器件与单元：

主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

四、实验步骤：

1、按图5—3示意安装、接线。

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图5—3 电容传感器位移实验安装、接线示意图

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传３圈)。 3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V ，再转动测微头(同一个方向)6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数(这样转12圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表5(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。

表5 电容传感器位移实验数据 X (mm) 3.45 V(mV) 282 3.95 246 4.45 200 4.95 152 5.45 103 4、根据表5数据作出△X-V实验曲线并截取线性比较好的线段计算灵敏度S＝ΔV/ΔX和非线性误差δ及测量范围，实验完毕关闭电源开关。

5.95 49 6.45 0 6.95 -56 7.45 -110 7.95 -163 五、数据处理

1、用 matlab 绘制X-V曲线图如下图所示

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2、灵敏度计算用 matlab 进行线性拟合如下图所示。

拟合直线y=p1x+p2 p1= -100.4 p2= 642.9Δm=14.52 故灵敏度 S=ΔV/ΔX=p1= -100.4

非线性误差δ=Δm/yFS×100%=14.52/445×100%= 3.2629%

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实验六电涡流传感器位移实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：

电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图所示。根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图中的等效电路。图中R1、L1为传感器线

圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。

根据等效电路可列出电路方程组：

通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为：

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线圈的等效电感为：

线圈的等效Q值为：

式中：Q0 —无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1； Z2—金属导体中产生电涡流部分的阻抗，Ｚ2＝R2+ωL2 2。

由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为\型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、Ｑ的变化转化成电压或电流的变化输出。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。

为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。电涡流传感器位移测量实验框图如下图所示：

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2

2

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根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电路原理如图所示。电路组成：⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π 形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。⑶Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。当无被测导体时，振荡器回路谐振于f0，传感器端部线圈Q0为定值且最高，对应的检波输出电压Vo 最大。当被测导体接近传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值Vo变小。Vo变化反映了位移ｘ的变化。电涡流传感器在位移、振动、转速、探伤、厚度测量上得到应用。

三、需用器件与单元：

主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表；电涡流传感器实验模板、电涡流传感器，侧微头、被测体（铁圆片）、示波器。

四、实验步骤：

观察传感器结构，这是一个平绕线圈。调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的5mm刻度值对准。按实验指导书上的图安装侧微头、被测体铁圆片、电涡流传感器

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（注意安装顺序：首先将测微头的安装套插入安装架的安装孔内，再将被测体铁圆片套在测微头的测杆上；然后在支架上安装好电涡流传感器；最后平移测微头安装套使被测体与传感器端面相贴并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉），再按实验指导书上的图示意接线。

2、将电压表量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后开启电源，记下电压表读数，然后逆时针调节测微头微分筒，每隔0.1mm读一个数，直到输出Vo变化很小为止并将数据列入下表（在输入端即传感器二端可接示波器观测振荡波形）。 X（mm） V0(V) X（mm） V0(V) X（mm） V0(V) X（mm） V0(V) X（mm） V0(V) 5.0 1.97 6.0 5.1 2.07 6.1 5.2 2.17 6.2 5.3 2.27 6.3 5.4 2.38 6.4 5.5 2.49 6.5 5.6 2.60 6.6 5.7 2.70 6.7 5.8 2.82 6.8 5.9 2.93 6.9 3.04 3.14 3.25 3.36 3.48 3.59 3.70 3.81 3.93 4.05 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 4.16 4.27 4.37 4.49 4.58 4.69 4.80 4.91 5.02 5.14 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 5.23 5.34 5.44 5.55 5.66 5.76 5.86 5.96 6.06 6.16 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 6.26 6.36 6.46 6.56 6.66 6.73 6.81 6.90 6.98 7.07 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 X（mm） 10.0 V0(V) 7.15 7.21 7.29 7.39 7.45 7.52 7.59 7.66 7.73 7.80 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 X（mm） 11.0 V0(V) 7.87 7.93 7.99 8.06 8.12 8.18 8.23 8.29 8.35 8.40 7

X（mm） 12.0 V0(V) 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 8.45 8.50 8.55 8.60 8.65 8.70 8.74 8.78 8.82 8.86 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 X（mm） 13.0 V0(V) 8.90 8.94 8.98 9.01 9.05 9.08 9.11 9.14 9.17 9.20 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 X（mm） 14.0 V0(V) 9.23 9.26 9.29 9.32 9.34 9.37 9.40 9.42 9.45 9.48 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 X（mm） 15.0 V0(V) 9.50 9.52 9.54 9.57 9.59 9.61 9.60 9.60 9.60 9.60 3、根据表中数据，画出V－X实验曲线，根据曲线找出线性区域比较好的范围计算灵敏度和线性度（可用最小二乘法或其它拟合直线）。实验完毕，关闭电源。

五、实验结果与分析

1、用 matlab 绘制X-V曲线图如下图所示

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2、灵敏度计算用 matlab 进行线性拟合如下图所示。

选取线形区域比较好的范围 选取2组数据，其所在位置序列为：

1-45

即X为5.0-9.4

84-94 即X为13.3-14.3

绘制曲线：

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第一组：

第二组：

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进行拟合： 第一组：

拟合直线y=p1x+p2 p1= 1.079 p2= -3.427Δm=0.0556 故灵敏度 S=ΔV/ΔX=p1=1.079

非线性误差δ=Δm/yFS×100%=0.0556/4.69×100%= 1.11855%

第二组：

拟合直线y=p1x+p2 p1= 0.3045 p2= 4.966Δm=0.0059 故灵敏度 S=ΔV/ΔX=p1=0.3045

非线性误差δ=Δm/yFS×100%=0.0059/0.31×100%= 1.903226%

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进行拟合： 第一组：

拟合直线y=p1x+p2 p1= 1.079 p2= -3.427Δm=0.0556 故灵敏度 S=ΔV/ΔX=p1=1.079

非线性误差δ=Δm/yFS×100%=0.0556/4.69×100%= 1.11855%

第二组：

拟合直线y=p1x+p2 p1= 0.3045 p2= 4.966Δm=0.0059 故灵敏度 S=ΔV/ΔX=p1=0.3045

非线性误差δ=Δm/yFS×100%=0.0059/0.31×100%= 1.903226%

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