传感器课程设计
电涡流式电子称的设计
摘要：
本实验的主要内容是通过对电涡流传感器的应用，设计出一款电子秤。 关键词：
电涡流传感器、电子秤、传感器应用、设计。 引言：
传感器的定义是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转化成可用输出信号的器件或装置。传感器起到信息收集、信息数据的转化作用。本实验采用的是电涡流氏传感器，利用电涡流传感器将被测物体的质量转化成电信号，由电信号与质量间的线性关系从而得出被测物体的质量。
技术要求：
1、测量范围：0-10kg 2、精度：0.01%
3、电桥输出电压：0-5v 4、工作温度: ±20℃
一、总体设计思路
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。 根据下面的组成框图，构成传感器。
根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：
（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。
（2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。
（3）弹性元件：设计中选择圆柱螺旋弹簧为弹性元件，将被测原件置于圆柱弹簧顶部固定并放在探头下方。当把砝码放置与弹簧上时弹簧受压产生向下的位移
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从而转换成点参量。
（4）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。
二、电涡流传感器的基本原理
2.1 电涡流传感器工作原理
根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。
电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：
2.2 电涡流传感器等效电路分析
为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。
图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方
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程式，上图等效电路的平衡方程式如下：
经求解方程组，可得I1和I2表达式：
由此可得传感器线圈的等效阻抗为:
从而得到探头线圈等效电阻和电感。
通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。
因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个简单的函数关系：
其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。
所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。
三、电涡流传感器探头参数 3.1 传感器线圈尺寸的选取
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线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性作用。对传感器来说总是希望灵敏度高，线性范围大。欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大；欲使灵敏度高，就要求轴向磁场强度变化梯度大。单匝的载流线圈在轴线上的磁感强度可以根据毕奥-萨伐定律推出：
式中：μ0——真空的磁导率；r——线圈的半径；I——通过线圈的电流；x——轴线上某点P至线圈中心的距离。①当x小时（被测体靠近线圈），线圈半径r小，则产生的磁感应强度大。②当x 大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，且半径小的变化梯度大，线圈半径大的变化梯度小。为了有较大的测量范围，线圈的半径应大一些。
线圈通以电流I 时，则线圈的电流密度为：
则通过截面dx，dy 处的圆形电流元的电流为：i=NI/((rb - ra)h) dx ² dy 此电流在轴线任意点P 处所产生的磁感应强度为：
整个载流扁平线圈通以电流I 后，在轴线上任意P 点处产生的磁感应强度为：
式中，x1 就是扁平线圈端面到被测体的距离，可用x表示，所以线圈轴线上某点P 产生的磁感应强度可改写为：
按表1 中所给参数可做出线圈几何尺寸与线性范围曲线图，可得如下结论：
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线圈的匝数越多，线性范围越大；线圈薄时，灵敏度高，因此在设计传感器时，为使一定大小外径的传感器有较大的线性范围和尽可能高的灵敏度，要求线圈厚度越薄越好；线圈内径改变时，只有在被测体与传感器靠近处略有变化；线圈外径大时，传感器的敏感范围大，线性范围相应才会增大，但灵敏度降低，对于要求测量范围大的传感器，线圈外径要大一些。
表1 线圈几何尺寸与线性范围的关系 轴向厚度h线圈编号 外径（mm） 外径（mm） 匝数n （mm) 1 30 25 500 10 2 30 25 200 10 3 30 25 500 10 4 30 25 500 2 5 30 28 500 2 6 30 20 500 2 7 30 20 500 2 8 20 15 500 图3 距离电压变化曲线 2
因此，电涡流传感器的灵敏度与线性范围，主要取决于传感器线圈的参数。线圈的外径大，传感器的测量线性范围大，但灵敏度低；线性范围小，但灵敏度高，线圈薄时，灵敏度高。
四、弹性元件的设计与计算：(由于条件实验中用振动平台代替圆柱弹簧。)
圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现就下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析>所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的情况进行分析。
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由图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析a>(图中弹簧下部断去，末示出)可知，由于弹簧丝具有升角α，故在通过弹簧轴线 的截面上，弹簧丝的截面A-A呈椭圆形，该截面上作用着力F及扭矩
。因而在弹簧 丝的法向截面B-B
上则作用有横向力Fcosα、轴向力Fsinα、弯矩M=Tsinα及扭矩Tˊ= Tcosα。 由于弹簧的螺旋升角一般取为α=5°～9°，故sinα≈0；cosα≈1(下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析b>)，则截面B-B上的应力(下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析c>)可近似地取为
式中C=D2/d 称为旋绕比(或弹簧指数)。为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小。C值的范围为4～16(表<常用旋绕比C值>), 常用值为5～8。
圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析
常用旋绕比C值
1.1～2.22.5～6 7～16 18～42 C=D2/d 7～14 5～12 5～10 4～9 4～8 4～6 为了简化计算，通常在上式中取1+2C≈2C(因为当C=4～16时，2C>>l，实质上即为略去了 τp)，由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将如图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析>c中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为 d(mm) 0.2～0.4 0.45～1
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式中补偿系数K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算：
圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量λ可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:
式中：n—弹簧的有效圈数；
G—弹簧材料的切变模量，参见下表 最大轴向变形量为：
使弹簧产生单位变形所需的载荷kp称为弹簧刚度，即 ：
弹簧刚度是表征弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度愈大，需要的力愈大，则弹簧的弹力就愈大。但影响弹簧刚度的因素很多，由于kp与C的三次方成反比，即C值对kp的影响很大。所以，合理地选择C值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp还和G、d、n有关。在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
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常用材料的切变模量：
材料名称 球墨铸铁 碳钢 铸钢 镍铬钢 工具钢 黄铜 紫铜
由传感器的线性范围S和公式： 得：
从而确定所需弹簧元件的几何尺寸。
五、 电子秤各电路单元或部件的选择
弹性模量E (105MPa) 1.51～1.6 2～2.2 1.75～2.16 2.1 2.1～2.2 0.9～1.4 1.1～1.3 切变模量G (104MPa) 6.1 7.8～8.1 7.0～8.4 8.1 8.0～8.5 3.5～3.7 4.9 泊松比μ 0.25～0.29 0.24～0.28 0.25～0.29 0.25～0.30 0.29～0.30 0.32～0.42 0.23 8
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5.1 直流稳压电源的选择
直流稳压电源可直接从CSY传感器实验仪获得，由于此设计过程采用的是直流激励，故应将直流稳压电源置+2V档且激励电压不能过大，以免损坏电涡流片 5.2 电桥平衡网络的选择
电桥平衡网络采用CSY传感器实验仪左下角的电桥单元，使用时可自由调节电位继W1,电桥平衡电路：
等效平衡网络 5.3差动放大器的选择
放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等，其中放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数；输入电阻是从输入端向放大电路内看去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻后，输入电压与输入电流之比；放大电路的输出端可等效为一个信号源。
在此设计中可利用传感器试验仪上的差动放大器单元，如图3.6所示。
5.4 F/V表的选择
此F/V表是显示差动放大器输出的电压值，可直接用实验仪上的数字式电压/频率表即（F/V表）：3位半显示，电压范围0-2V，0-20V，频率范围3Hz-2KHz、10Hz-20KHz，灵敏度≥50mV,如图3.7所示。
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图3.6 差动放大器单元 传感器课程设计
图3.7 F/V表 六、 硬件电路图及实验演示（实验用振动平台代替圆柱螺旋弹簧。）
在直流稳压电源的激励下，首先调整电位继W1使电压表示数为零，以补偿不等位电势（不考虑温度误差的影响）；当有重物放在振动平台正时是被测原件与电涡流传感器产生位移并通过测量电路反映到电动势的变化上。输出的电涡流电势经差动放大器放大显示在F/V表上，经过多次实验可得出被测物体重量与电压表示数的关系，从而通过看放未知重物时的电压表示数可迅速得到其重量。电子秤原理图如图4.1示。
（1） 硬件电路实验的步骤
1. 旋钮初始位置：
1) 差动放大器：增益旋至最小 2) F/V数显表：置于2V档
3) 直流稳压电源：置于±2V档 4) 主副电源关闭
2. 了解电涡流式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上电
涡流的符号。
3. 开启主副电源将差动放大器增益调至最小位置调零后，关闭主副电源，
拆除差动放大器调零接线。
4. 差动放大器增益调至最小位置调零后，不再改变调零电位继的位置。 5. 调节测微头脱离平台并远离振动台。
6. 按图1接线，开启主副电源，调W1电位继使系统电压输出为零。 7. 在称重平台上放上砝码，填入表4.1中。
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W(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 V(mv) 表4.1 V-W关系表 8. 根据表4.1中数据作出V-W曲线，可看出其线性范围为 g,并可
得出其灵敏度S= mv/g，如图4.2所示。
9. 根据线性起点移走平台上放的多余称重砝码，记下此刻的表头读数，再
在平台上放一个未知重量之物，记下表头读数。根据线性区的灵敏度S可求得此物体重量。如若电压表显示 mv,则所称量物体重 g。
10. 由上表v-w关系有实验台用螺旋测位移测得对应位移与电压关系如下： V(mv) S(mm) V-S 关系表
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电压与位移关系曲线：
有图可确定电涡流的线性范围：S∈( , )
七、电子秤调试
电子秤调试需在CSY传感器实验仪上进行，CSY传感器实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元，如图5.1示。
图5.1 CSY传感
器实验仪
具体调试步骤如下：
1. 连接好线路后，开启主副电源，调W1电位继使系统电压输出为零。 2. 在称重平台上放上砝码，观察电压表示数，求出其灵敏度。
3. 根据线性起点移走平台上放的多余称重砝码，记下此刻的表头读数，再
在平台上放一个未知重量之物，记下表头读数。根据线性区的灵敏度S可求得此物体重量。
需要指出的是在每次称量物体之前都需用电位继W1将电压表调零，目的是
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补偿不等位电势。另外，若称量物体时电压表示数不稳定，可能是线路连接问题或导线问题，若这几方面都无问题但电压表示数仍然不是很稳，则应读取其中间值。 使用说明
1. 每次称物体前需用电位继W1将电压表调零。
2. 当称量太轻的物体时可先秤它与砝码一起的重量，后减去砝码的重量。 3. 应使电涡流尽量靠近所测材料，以提高灵敏度。 4. 一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。 5. 激励电压绝对不能超高，以免损坏电涡流。
6. 差动放大器增益调至最小位置调零后，不再改变调零电位继的位置。 7. 砝码与重物应置于振动平台的中间位置。
八、被测物体材料对电涡流特性的影响
传感器的特性与被测物体的电导率，磁导率有关。当被测物体为磁导材料时，由于电涡流效应与磁效应同时存在，磁效应反作用于电涡流效应使得电涡流效应减弱，灵敏度降低。反之若被测材料为弱磁导材料时，磁现象减弱。想对来说电涡流效应比较强。即电涡流传感器的灵敏度增强
参考文献：
唐文彦 《传感器》（第四版）机械工业出版社 2007年
李科杰 《新编传感器技术手册》 国防工业出版社 2002年
庞振基 《精密机械零件》 机械工业出版社 1988年
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