一、实验目的
1. 了解电涡流传感器的结构、工作原理及其应用；
2. 掌握电涡流传感器及其电路的灵敏度、线性度、回程误差等指标的数据处理方法。
二、实验原理
电涡流传感器是20世纪70年代中期迅速发展的一种新型电感式传感器。它广泛应用于机械位移、振动监测、金属材质鉴别、无损探伤等技术领域。 1. 电涡流传感器的工作原理
当通过金属中的磁通发生变化时，导体上产生感生电流，电流的流线在导体内闭合，称之为涡流。涡流大小与导体的电阻率、导磁率以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离、线圈激励电流的频率f有关。
如图1-1所示。传感器线圈由高频信号激励，激励为1~3MHz左右。在线圈中产生一个高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围内的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流，而此电涡流又将产生交变磁场阻碍外磁场的变化。从能量的角度看，在被测导体内存在电涡流损耗。能量损耗使传感器的品质和等效阻抗、电感均产生变化。线圈上述参数的变化在其它条件不变的情况下，仅是线圈涡流与金属板之间距离的单调函数，这是电涡流传感器的基本原理。
图1-1电涡流的作用原理 图1-2电涡流传感器的等效电路
2.等效电路
图1-2为电涡流效应的等效电路图。图中和为传感器线圈的电阻和电感，和为金属导体的电阻和电感，E为激励电压。
3. 传感器静态特性指标
（1）线性度（非线性误差）
在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度（见图1-3所示）。用表示线性度，则：
（1-1）
式中——校准曲线与拟合曲线间的最大偏差；
——传感器满量程输出；
twamp
图1-3传感器的线性度
（2）灵敏度
传感器的灵敏度指达到稳定工作状态时，在某点上输出变化量与引起此变化的输入变化量之比（如图1-4所示）。线性传感器校准曲线的斜率就是灵敏度。
（1-2）
图1-4 传感器的灵敏度定义
（3）回程误差
回程误差是指在相同工作条件下作全测量范围标定时，正行程和反行程不重合的程度（如图1-5所示）。其数值用最大偏差或最小偏差与满量程输出的百分比表示。 车载制氧机 （1-3）
式中：——输出值在正反行程间最大偏差。
图1-8传感器的回程误差特性 图1-9
三、实验步骤
1. 连接主机与实验模块电源及传感器接口（如图1-9所示），电涡流线圈与涡流片须保持平行，安装好测微仪。
2.开启主机电源，首先将电压表调为2V档，旋转测微器，观察输出变化，当电压表超量程时，将电压表档位转换为20V档。
3.用测微仪带动涡流片移动，当涡流片完全紧贴线圈时输出电压为最小，然后旋动测微仪
使涡流片离开线圈（当电压表读数不为零时，开始记录数据），从电压表读数有变化开始计数，每隔0.2mm记录一个电压值，将V、X数值填入下表，出线性范围，然后作回程数据。
X/mm | 0 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2 | 2.2 | 2.4 |
V0/ V | 正 | | | | | | | | | | | | | |
反 | | | | | | | | | | | | | |
X/mm | 2.6 | 2.8 | 3 | 3.2 | 3.4 | 3.6 | 3.8 | 4 | 4.2 | 4.4 | 4.6 | 4.8 | 5.0 |
V0/ V | 正 | | | | | | | | | | | | | |
反 | | | | | | | | | | | | | |
X/mm | 5.2 | 5.4 | 5.6 | 5.8 | 6.0 | 6.2 | 6.4 | 6.6 | 6.8 | 7.0 | 7.2 | 7.4 | 7.6 |
V0/ V | 正 | | | | | | | | | | | | | |
反 | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | |
四、实验数据处理
要求根据实际测试数据绘制实验数据曲线，出电涡流传感器输出/输入曲线的线性段，并计算电涡流传感器工作在线性段时的灵敏度、线性度和回程误差。
实验二 位移量的测量
一、实验目的
d1秒1.掌握位移测量传感器的工作原理及特点。
2.比较各种传感器的灵敏度和线性度。
二、工作原理
位移测量是线位移测量和角位移测量的统称。位移测量在机械工程中应用很广，这不仅因为在机械工程中经常要求精确地测量零部件的位移或位置，而且还因为力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量、物位等参数的许多测量方法，也是以位移测量作为基础的。位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择恰当的测量点、测量方向和测量系统。其中位移传感器选择是否恰当，对测量精确度影响很大，必须特别注意。电涡流式传感器（实验1）均可用于位移测量，下面再介绍几种用于位移测量的传感器。
1.电容式传感器的工作原理
电容传感器的核心部分是不同形式的电容器。用两块金属板作电极可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为：
（2-1）
式中：——两极板间介质的介电常数，在空气中；
——真空的介电常数， F/m；
——极板间相互覆盖面积；
——两极板间的距离；
(a) (b) (c)
图2-1 变面积型电容传感器
式（2-1）表示了电容传感器的基本关系。在、、三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量改变，这就是电容式传感器的基本原理。因此，一般电容可以分成三种类型：变极板间距型、变面积型和变介电常数型。综合试验台中采用的变面积型。图2-1是变面积型电容传感器的原理图。
2.霍尔式传感器
位于磁场中的静止载流体，当其电流I应急调度的方向与磁场强度H的方向之间有夹角时，在载流体中平行于I、H的两侧面之间将产生电动势，这一物理现象称为霍尔效应。
图2-2为霍尔效应原理图。在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿与电流I相反的方向运动，由于洛仑磁力的作用，电子将向一侧偏转（如图中的虚线方向），并使该侧形成电子的积累，另一侧形成正电荷的积累，于是组件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏转，当电子所受到的电场力与相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在两横断面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势。
图2-2霍尔效应原理图
光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被
测反射表面的距离，光纤位移传感器原理示意图，如图2-3所示。
图2-3光纤位移传感器原理示意图
标准的光纤位移传感器中，由600根光导纤给组成一个直径为0.762mm的光缆，光纤内芯是折射率为1.62的火石玻璃，包层用折射率为1.52的玻璃，光缆的后部被分为二支，一支
用于光发射，一支用于光接收。光源是2.5V白炽灯泡，而接收光信号的敏感元件是光电池，光敏检测器产生与接收到的光强成正比的电信号。对于每0.25um的位移产生1V的电压输出，分辩率是0.025um，它的工作原理是：当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而就不能产生光电流信号，当被测表面渐渐远离光纤探头时发射光纤照亮被测表面的面积A越来越大，因而相应的发射光锥和接收光维重合的面积B1越来越大，接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大，有一个线性增长的输出信号就达到 了位移一输出信号曲线上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的B2面积大于C，即有部分反射光没有反射进接收光纤，当接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐减小，光敏检测器的输出信号逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。位移－－输出电压特性见图2-4所示。
在后坡区，信号的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反比。在前坡区，输出信号的强度增加得非常快，所以这一区域可以用来进行微米级的位移测量。后坡区域可用于距离较远而灵敏度，线性度和精度要求不高的测量。而在所谓的光峰区域，输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的灵敏度大得多，所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。
三、实验步骤
1.差动电容式传感器的位移测量
（1）差动放大器调零。连接主机与模块电路电源连接线，将差动放大器“+”“-”输入端对地用实验线短路，输出端接电压表2V档。开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，稳定后去除差动放大器输入端的导线。调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
（2）观察电容传感器结构：传感器由一个动极与两个定级组成，按图2-5连接实验线路。
图2-5差动电容式传感器位移测量系统
（3）打开主机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。
（4）向一个方向移动动极，每次移动0.5mm，，记录数据，作出V-X曲线，计算灵敏度和线性度。
2.霍尔传感器的位移测量
（1）安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，霍尔元件另一激励端接地，实验接线按图2-6所示。
（2）用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。
（3）从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：
图2-6霍尔传感器工作原理
（4）作出V-X曲线，求得灵敏度和线性工作范围。如出现非线性情况，请查原因。
注意事项：
直流激励电压只能是2V，不能接+2V(4V)否则锑化铟霍尔元件会烧坏。
3.光纤传感器的位移测量
（1）左右来回缓慢移动反射镜，在距光纤探头0.5～1.0mm范围内，寻输出峰值，（即
图2-7光纤测速原理图
光峰点）调节放大器增益，使峰值达到最大（归一化操作）。此步骤需来回几次细心调整，待读数稳定后，方可进行下一步。
（2）连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。玻璃模具设计
（3）开启主机电源，光电变换器V0端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片（如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时V0输出≈0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.1mm记录一数值并记入下表：
X/mm | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 1.5 |
V0/V | | | | | | | | | | | | | | | | |
X/mm | 1.6 | 1.7 | 1.8 | 1.9 | 2.0 | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 2.4 | 2.5 | 2.6 | 2.7 | 2.8 | 2.9 | 3.0 | 3.1 |
V0/V | | | | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | | |
（4）作出V-X曲线。
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