传感器静态特性研究-电涡流传感器位移特性实验

骆苏-一只小菜鸡

一、实验目的与任务

  1. 了解电涡流传感器的结构、特性。
  2. 掌握电涡流传感器的工作原理
  3. 了解电涡流传感器测量位移的工作原理。
  4. 了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、实验原理

(一)、涡流效应

电涡流传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。当金属板置于变化着的磁场中时,或者在固定磁场中运动时,金属板内就要产生感应电流,这种电流的流线在金属体内是闭合的,所以叫做涡流。涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度以及线圈与金属板之间的距离,线圈的激磁电流角频率等参数有关。通高频电流的线圈产生磁场,当有金属导电体接近线圈时,导电体内产生涡流,当除线圈与金属导体表面的距离x以外的所有参数一定时,涡流损耗只与金属导电体离线圈的距离x有关,因此可以进行位移测量。

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关,因此不同的材料会有不同的性能。

(二)、测量电路

图1-电涡流传感器调频电路图

三、实验设备

主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁、铜、铝圆片)

四、实验内容

(一)、实验操作

  1. 观察传感器结构,根据示意图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。

    图2-电涡流传感器安装、连接示意图

图3-正确安装实验设备、连接电路

  1. 调整测微头使被测体与传感器接触,调节合适的电压表量程,检查接线无误后,开启主机箱电源开关,记下电压表读数(x=0mm)。
  2. 调节测微头,取合适的步长记录下对应的电压表读数,逐渐增大x直到电压表示数几乎不变。
  3. 更换不同材质的被测体,重复前3测量。

(二)、数据处理

实验数据如表所示,铁、铜、铝的测量距离与输出电压分别为图4、5、6,表1、2、3所示。

表1-铜材料距离与输出电压之间的关系

图4-铜材料距离与输出电压之间的关系

表2-铁材料距离与输出电压之间的关系


图5-铁材料距离与输出电压之间的关系

表3-铝材料距离与输出电压之间的关系

图6-铝材料距离与输出电压之间的关系

图7-三种材料距离与输出电压之间的关系

  • 铜材料在量程为1mm时灵敏度为3.1194V/mm,其非线性度为0.925%
  • 铁材料在量程为1mm时灵敏度为1.5399V/mm,其非线性度为2.024%
  • 铝材料在量程为1mm时灵敏度为3.2868V/mm,其非线性度为0.549%
  • 铜材料在量程为3mm时灵敏度为2.5989V/mm,其非线性度为15.629%
  • 铁材料在量程为3mm时灵敏度为1.7008V/mm,其非线性度为5.227%
  • 铝材料在量程为3mm时灵敏度为2.2662V/mm,其非线性度为18.167%

(三)、结果分析

由图 7 可知,三种材料输出电压随距离的变化规律相似,均为先线性后几乎不变。
铜和铝材料的线性范围相差较小,均为1mm 左右,但灵敏度较高;铁材料的线性范围较大,能达到3mm左右,但灵敏度较低。

由于安装误差等因素,在表上距离为零时,几种材料都有一定的零点误差导致线性段偏移,其中铁最为明显,因此在处理数据时,为保证线性度,均舍去了前若干组数据。

五、 实验思考

  1. 电涡流传感器的量程与哪些因素有关,如果需要测量5mm的量程应如何设计传感器:
    量程与线性度、灵敏度、初值(工作点)均有关系。如果需要测量5mm的量程应使传感器在这个范围内线性度最好,灵敏度最高,这样才能保证准确度。
  2. 用电涡流传感器进行非接触测量时,如何根据位移选择传感器:根据需要测量距离的大小,一般距离较大要求量程较大,且灵敏度要求不会太高;相反需要测量的距离较小,则对灵敏度要求较高,量程不需要太大。
  3. 为什么性能受不同材料的影响:传感器基于电涡流效应,感应涡流特性与被测物体的导电率、磁导率有关。

附录:数据处理代码

%%-------------电涡流传感器位移特性实验------------%%
% 代码功能:处理实验数据--电涡流传感器位移特性实验
% 代码语言:matlab脚本
% 输    入:
%           铜、铁、铝材料位移x;单位:mm
%           铜、铁、铝测试电压V;单位:V
% 输    出:
%           灵敏度S;单位:V/mm
%           非线性误差δ%;单位:1
%
% 编写时间:2022年4月11日
% 更新时间:2022年4月11日
% 编 写 人: 骆苏%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 程序初始化
clc;clear;close all;%% 〇、输入实验数据Cu.x = [0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000...1.200 1.400 1.600 1.800 2.000...2.200 2.400 2.600 2.800 3.000...3.200 3.400 3.600 3.800 4.000...4.500 5.000 5.500 6.000 6.500...7.000 10.000 13.000 16.000 19.000 22.000];
Cu.V = [1.55223 1.95269 2.5687 3.1959 3.8637 4.4688...5.0463 5.6489 6.1811 6.7304 7.1699...7.6031 8.0239 8.3766 8.7512 9.0500...9.2630 9.5403 9.7730 10.0034 10.1815...10.5481 10.8514 11.0677 11.2091 11.3319...11.4255 11.6908 11.8174 11.8659 11.8842 11.8896];Fe.x = [0.000 0.200 0.400 0.500 0.600 0.800 1.000...1.200 1.400 1.500 1.600 1.800 2.000...2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000...6.000 7.000 8.000 9.000 10.000...11.000 12.000 13.000 14.000 15.000...16.000 17.000 18.000 19.000 20.000];
Fe.V = [0.004/1000 0.018/1000 62.850/1000 154.352/1000 0.24739 0.45602 0.66899...0.89623 1.14620 1.27240 1.40275 1.69111 1.98581...2.8070 3.7000 4.6210 5.5230 6.4528 7.2669...8.6864 9.7372 10.4096 10.8689 11.1416...11.3066 11.4536 11.5655 11.6327 11.6908...11.7047 11.7416 11.7680 11.7923 11.8130];Al.x = [0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000...1.200 1.400 1.600 1.800 2.000...2.200 2.400 2.600 2.800 3.000...3.200 3.400 3.600 3.800 4.000...4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000...10.000 13.000 16.000 19.000 22.000];
Al.V = [1.90001 2.5652 3.2323 3.8903 4.5649 5.1701...5.7877 6.3553 6.8750 7.3823 7.8168...8.2200 8.6158 8.9604 9.2766 9.5416...9.7970 10.0144 10.1924 10.3627 10.5060...10.7948 11.0451 11.2326 11.3615 11.4500 11.5275...11.8312 11.9173 11.9530 11.9541  11.9541 ];%% 一、调用子程序处理实验数据,注意铁的零点偏差较大,取前10个数据均可作为备选的修正零点,铜、铝的取前3个即可[Cu.long.a,Cu.long.b,Cu.p,Cu.D] = find_long_line(Cu.x,Cu.V,3,10);
[Cu.straight3.a,Cu.straight3.b,Cu.p,Cu.D] = find_straight_line(Cu.x,Cu.V,3,3);
[Cu.straight1.a,Cu.straight1.b,Cu.p,Cu.D] = find_straight_line(Cu.x,Cu.V,3,1);[Fe.long.a,Fe.long.b,Fe.p,Fe.D] = find_long_line(Fe.x,Fe.V,10,10);
[Fe.straight3.a,Fe.straight3.b,Fe.p,Fe.D] = find_straight_line(Fe.x,Fe.V,10,3);
[Fe.straight1.a,Fe.straight1.b,Fe.p,Fe.D] = find_straight_line(Fe.x,Fe.V,10,1);[Al.long.a,Al.long.b,Al.p,Al.D] = find_long_line(Al.x,Al.V,3,10);
[Al.straight3.a,Al.straight3.b,Al.p,Al.D] = find_straight_line(Al.x,Al.V,3,3);
[Al.straight1.a,Al.straight1.b,Al.p,Al.D] = find_straight_line(Al.x,Al.V,3,1);%% 二、绘制图表figure(1);
plot(Cu.x,Cu.V,'--x','Color','k','LineWidth',1.5,'MarkerSize',6);
hold on;
plot(Cu.x(Cu.long.a:Cu.long.b),polyval(Cu.p{Cu.long.a,Cu.long.b},Cu.x(Cu.long.a:Cu.long.b))...,'-','Color','r','LineWidth',3,'MarkerSize',8);
hold on;
plot(Cu.x(Cu.long.a)/2+Cu.x(Cu.long.b)/2,polyval(Cu.p{Cu.long.a,Cu.long.b},Cu.x(Cu.long.a)/2+Cu.x(Cu.long.b)/2),'.','Color','k','MarkerSize',30);
text(Cu.x(Cu.long.a)/2+Cu.x(Cu.long.b)/2,polyval(Cu.p{Cu.long.a,Cu.long.b},Cu.x(Cu.long.a)/2+Cu.x(Cu.long.b)/2),...['    ','\fontname{Times New Roman}最佳工作点x=\it \rm',num2str(Cu.x(Cu.long.a)/2+Cu.x(Cu.long.b)/2),'mm,',...'灵敏度',num2str(Cu.p{Cu.long.a,Cu.long.b}(1)),'V/mm,非线性度',num2str(Cu.D(Cu.long.a,Cu.long.b)),'%']);  %指定位置标注
legend('show');
legend({'铜材料测试曲线','铜材料线性段拟合曲线','最佳工作点'});
legend('Location','southeast');
grid on;
title('铜材料距离与输出电压')
xlabel('传感器与材料距离x/mm');
ylabel('输出电压V/V');figure(2);
plot(Fe.x,Fe.V,'--x','Color','k','LineWidth',1.5,'MarkerSize',6);
hold on;
plot(Fe.x(Fe.long.a:Fe.long.b),polyval(Fe.p{Fe.long.a,Fe.long.b},Fe.x(Fe.long.a:Fe.long.b))...,'-','Color','r','LineWidth',3,'MarkerSize',8);
hold on;
plot(Fe.x(Fe.long.a)/2+Fe.x(Fe.long.b)/2,polyval(Fe.p{Fe.long.a,Fe.long.b},Fe.x(Fe.long.a)/2+Fe.x(Fe.long.b)/2),'.','Color','k','MarkerSize',30);
text(Fe.x(Fe.long.a)/2+Fe.x(Fe.long.b)/2,polyval(Fe.p{Fe.long.a,Fe.long.b},Fe.x(Fe.long.a)/2+Fe.x(Fe.long.b)/2),...['    ','\fontname{Times New Roman}最佳工作点x=\it \rm',num2str(Fe.x(Fe.long.a)/2+Fe.x(Fe.long.b)/2),'mm,',...'灵敏度',num2str(Fe.p{Fe.long.a,Fe.long.b}(1)),'V/mm,非线性度',num2str(Fe.D(Fe.long.a,Fe.long.b)),'%']);  %指定位置标注
legend('show');
legend({'铁材料测试曲线','铁材料线性段拟合曲线','最佳工作点'});
legend('Location','southeast');
grid on;
title('铁材料距离与输出电压')
xlabel('传感器与材料距离x/mm');
ylabel('输出电压V/V');figure(3);
plot(Al.x,Al.V,'--x','Color','k','LineWidth',1.5,'MarkerSize',6);
hold on;
plot(Al.x(Al.long.a:Al.long.b),polyval(Al.p{Al.long.a,Al.long.b},Al.x(Al.long.a:Al.long.b))...,'-','Color','r','LineWidth',3,'MarkerSize',8);
hold on;
plot(Al.x(Al.long.a)/2+Al.x(Al.long.b)/2,polyval(Al.p{Al.long.a,Al.long.b},Al.x(Al.long.a)/2+Al.x(Al.long.b)/2),'.','Color','k','MarkerSize',30);
text(Al.x(Al.long.a)/2+Al.x(Al.long.b)/2,polyval(Al.p{Al.long.a,Al.long.b},Al.x(Al.long.a)/2+Al.x(Al.long.b)/2),...['    ','\fontname{Times New Roman}最佳工作点x=\it \rm',num2str(Al.x(Al.long.a)/2+Al.x(Al.long.b)/2),'mm,',...'灵敏度',num2str(Al.p{Al.long.a,Al.long.b}(1)),'V/mm,非线性度',num2str(Al.D(Al.long.a,Al.long.b)),'%']);  %指定位置标注
legend('show');
legend({'铝材料测试曲线','铝材料线性段拟合曲线','最佳工作点'});
legend('Location','southeast');
grid on;
title('铝材料距离与输出电压')
xlabel('传感器与材料距离x/mm');
ylabel('输出电压V/V');figure(4);
plot(Cu.x,Cu.V,'-x','Color','b','LineWidth',1.5,'MarkerSize',6);
hold on;
plot(Cu.x(Cu.long.a:Cu.long.b),polyval(Cu.p{Cu.long.a,Cu.long.b},Cu.x(Cu.long.a:Cu.long.b))...,'--','Color','b','LineWidth',3,'MarkerSize',8);
hold on;
plot(Fe.x,Fe.V,'-x','Color','k','LineWidth',1.5,'MarkerSize',6);
hold on;
plot(Fe.x(Fe.long.a:Fe.long.b),polyval(Fe.p{Fe.long.a,Fe.long.b},Fe.x(Fe.long.a:Fe.long.b))...,'--','Color','k','LineWidth',3,'MarkerSize',8);
hold on;
plot(Al.x,Al.V,'-x','Color','r','LineWidth',1.5,'MarkerSize',6);
hold on;
plot(Al.x(Al.long.a:Al.long.b),polyval(Al.p{Al.long.a,Al.long.b},Al.x(Al.long.a:Al.long.b))...,'--','Color','r','LineWidth',3,'MarkerSize',8);
legend('show');
legend({'铜材料测试曲线','铜材料线性段拟合曲线','铁材料测试曲线','铁材料线性段拟合曲线','铝材料测试曲线','铝材料线性段拟合曲线',});
legend('Location','southeast');
grid on;
title('不同材质对涡流传感器的影响')
xlabel('传感器与材料距离x/mm');
ylabel('输出电压V/V');%% 三、输出结论fprintf('铜材料在量程为1mm时灵敏度为%6.4fV/mm,其非线性度为%4.3f%% \n',Cu.p{Cu.straight1.a,Cu.straight1.b}(1),Cu.D(Cu.straight1.a,Cu.straight1.b));
fprintf('铁材料在量程为1mm时灵敏度为%6.4fV/mm,其非线性度为%4.3f%% \n',Fe.p{Fe.straight1.a,Fe.straight1.b}(1),Fe.D(Fe.straight1.a,Fe.straight1.b));
fprintf('铝材料在量程为1mm时灵敏度为%6.4fV/mm,其非线性度为%4.3f%% \n',Al.p{Al.straight1.a,Al.straight1.b}(1),Al.D(Al.straight1.a,Al.straight1.b));
fprintf('铜材料在量程为3mm时灵敏度为%6.4fV/mm,其非线性度为%4.3f%% \n',Cu.p{Cu.straight3.a,Cu.straight3.b}(1),Cu.D(Cu.straight3.a,Cu.straight3.b));
fprintf('铁材料在量程为3mm时灵敏度为%6.4fV/mm,其非线性度为%4.3f%% \n',Fe.p{Fe.straight3.a,Fe.straight3.b}(1),Fe.D(Fe.straight3.a,Fe.straight3.b));
fprintf('铝材料在量程为3mm时灵敏度为%6.4fV/mm,其非线性度为%4.3f%% \n',Al.p{Al.straight3.a,Al.straight3.b}(1),Al.D(Al.straight3.a,Al.straight3.b));%% 附、子程序部分function [p,y_fit,D] = fit(x,y)
%%%%--------  线性拟合  --------%%%%
% 代码功能:  对输入数据进行最小二乘拟合,返回拟合值结果与非线性度
% 编写语言:  matlab脚本
% 输   入:
%           自变量数据集x,单位:无关;浮点行向量
%           因变量数据值y,单位:无关;浮点行向量
% 输   出:
%           拟合多项式k,单位:1;二维行向量(斜率,截距)
%           拟合值y_fit,单位:无关
%           非线性度D%,单位:1;百分数
%
% 编 写 人: 骆苏
% 编写时间: 2022年4月11日
% 更新时间: 2022年4月11日
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 进行拟合
p = polyfit(x,y,1);
% 计算拟合值
y_fit = polyval(p,x);
% 计算拟合误差
d = (y-y_fit)./y;
% 计算非线性度
D = max(abs(d))*100;endfunction [a_out,b_out,p,Delta] = find_long_line(x,y,a_max,Delta_max)
%%%%--------  给定线性度找长度最长的线性段  --------%%%%
% 代码功能:
%           选取输入数据(x,y)的第a到b组数据段,对其进行最小二乘并计算其非线性度
%           将第a到b组数据的拟合结果存在p{a,b},D(a,b)中
%           选取a_max之前的a,比较所有非线性度小于Delta的数据段,选取最长的一段
%           最后,输出此段的起始数据索引a与结尾数据索引b
% 编写语言:  matlab脚本
% 输   入:
%           自变量数据集x,单位:无关;浮点行向量
%           因变量数据值y,单位:无关;浮点行向量
%           可接受的最大零点索引a_max,单位:1;整数
%           可接受的最大非线性误差Delta_max,单位:%;整数、百分数
% 输   出:
%           线性段起始索引a_out
%           线性段结束索引b_out,
%           不同分段的拟合多项式结构体p,单位:1;结构体数组(起点a,终点b).二维行向量[斜率,截距]
%           非线性度D%,单位:1;百分数,浮点型数组(起点a,终点b)
%
% 编 写 人: 骆苏
% 编写时间: 2022年4月11日
% 更新时间: 2022年4月11日
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 读取数据集长度
[~,N] = size(x);%% 遍历计算所有分段方式的拟合结果与线性度
% 初始化提高效率
p{N-1,N} = [0,0];
Delta(N-1,N) = 0;
% 选取第a到b组数据遍历计算拟合结果
for a = 1:N-1for b = a+1:N[p{a,b},~,Delta(a,b)] = fit(x(a:b),y(a:b));end
end%% 选取最长的线性段
% 初始化,先选取一个最短的线性段
l_max = x(2) - x(1);
% 遍历比较所有满足最大非线性值要求的线性段
for a = 1:a_maxfor b = a+1:Nl = x(b)-x(a);if l>l_max && Delta(a,b)< Delta_maxl_max = l;a_out = a;b_out = b;endend
endendfunction [a_out,b_out,p,Delta] = find_straight_line(x,y,a_max,x_min)
%%%%--------  给定长度找线性度最好的线性段  --------%%%%
% 代码功能:
%           选取输入数据(x,y)的第a到b组数据段,对其进行最小二乘并计算其非线性度
%           将第a到b组数据的拟合结果存在p{a,b},D(a,b)中
%           选取a_max之前的a,比较所有长度大于x_min的数据段,选取非线性度最小的一段
%           最后,输出此段的起始数据索引a与结尾数据索引b
% 编写语言:  matlab脚本
% 输   入:
%           自变量数据集x,单位:无关;浮点行向量
%           因变量数据值y,单位:无关;浮点行向量
%           可接受的最大零点索引a_max,单位:1;整数
%           可接受的最短线性段长度x_min,单位:无关;浮点数
% 输   出:
%           线性段起始索引a_out
%           线性段结束索引b_out,
%           不同分段的拟合多项式结构体p,单位:1;结构体数组(起点a,终点b).二维行向量[斜率,截距]
%           非线性度Delta%,单位:1;百分数,浮点型数组(起点a,终点b)
%
% 编 写 人: 骆苏
% 编写时间: 2022年4月11日
% 更新时间: 2022年4月11日
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 读取数据集长度
[~,N] = size(x);%% 遍历计算所有分段方式的拟合结果与线性度
% 初始化提高效率
p{N-1,N} = [0,0];
Delta(N-1,N) = 0;
% 选取第a到b组数据遍历计算拟合结果
for a = 1:N-1for b = a+1:N[p{a,b},~,Delta(a,b)] = fit(x(a:b),y(a:b));end
end%% 选取线性度最好的线性段
% 初始化,先选取整个数据段,线性度较差
Delta_min = Delta(1,N);
% 遍历比较所有满足最小长度要求的线性段
for a = 1:a_maxfor b = a+1:Nl = x(b)-x(a);if l>=x_min && Delta(a,b)<Delta_minDelta_min = Delta(a,b);a_out = a;b_out = b;endend
endend

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  7. 本特利Bently3300 XL 系列电涡流传感器的功能与优点

    3300 XL 系列传感器系统具有广泛的测量范围可供选择,是目前市场上性能最强.最耐用的传感器.本特利的 XL 系列是50多年传感器系统具有在各种严酷环境下性能优越的特点,正因为如此,本特利内华达&q ...

  8. 电涡流传感器测转速得互相干扰问题

    今天在调试一个仪表,用两个电涡流传感器(这个厂家是泰开头)来测反转,两个传感器的安装距离大概4-5厘米.结果发现两个传感器互相干扰,在上升沿的地方有好多的毛刺,导致转速值也不对. 后来换了另一个厂家的 ...

  9. 电涡流传感器330703-00-05-10-02-00本特利

    美国本特利bently3300XL NSv振动和位移前置器330980与bently3300XL NSv电涡流传感器接近探头兼容,传感器可安装在最下间隙.典型式的离心式空气压缩机狭小区域中.为美国本特 ...

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