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1、实验四、涡流、霍尔与光电传感器应用I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：电涡流传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可以用于无损探伤。原理如下图所示：涡流传感器基本原理示意图当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。如下图所示：涡流效应示意图线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何
2、参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间距x等因素有关。当线圈与金属体表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。在利用电涡流传感器测量位移时,激磁线圈与涡流体之间的距离的变化引起涡流强度的变化。对金属涡流体(如铁块),当线圈自由放置时,线圈中电感最大,谐振频率最低,输出最大。随着距离的减小,涡流逐渐增强,电感减小,从而使谐振频率增高,于是输出幅值下降。当距离减小为零时,根据涡流的趋肤效应,输出应该为零。然而,由于被测物体表面的不平度,常常有一零输出值。原理如下图所示：测量位移原理电涡流传感器的金属导体可看作一个短路线圈,它与通电扁平线圈磁性相连,当两线圈间的距离变化时,其间
3、的互感量与电感量都要发生变化,由涡流变换器(放大器、检波器、滤波器的组合)转换为电量输出。利用电涡流传感器也可以测量振动、表面镀层厚度、表面不平度等。被测体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度都有影响;若被测体表面有镀层,镀层性质和厚度不均匀也会影响测量精度;灵敏度还与被测体的大小和形状有关。因此,在利用电涡流传感器测量不同的量时,应采取不同的措施,提高测量的精度。三、实验器件与单元：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(铁圆片)。四、实验步骤：1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅本实验附录；根据下图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接
4、线。电涡流传感器安装、按线示意图图中主机箱电压表接法：实验模板Vo与其地线插口分别接主机箱Vin和其地线插口。2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据列下表。电涡流传感器位移X与输出电压数据表X（mm）V(v)3、根据上述表中数据数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点(即曲线线性段的中点)，试计算测量范围为1mm与3mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。实验完毕，关闭电源。五、思考题：1
5、、为什么电涡流式传感器被归类为电感式传感器？它属于自感式，还是互感式？它常有哪些方面的应用？2、电涡流传感器的线圈机械品质因数会发生什么变化？为什么？3、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？4、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器？II霍尔测速实验一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。二、基本原理：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。霍尔效应原理图如图所示，将一块厚度为
6、d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B中，磁场B沿Z轴正方向。当电流沿X轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度沿X轴负方向作定向运动，所受的洛伦兹力为：（1）在fB的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力fB的同时，也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度，UH为霍尔片I、Ⅱ面之间的电位差（即霍尔电压），则（2）fE将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有（3）即或（4）设载流子浓度为n，单位时间内体积为v·d
7、·b里的载流子全部通过横截面，则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为（5）将（5）式代入（4）式得（6）式中即为前述的霍尔系数RH。考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数KH，，则（4）式可写为（7）KH称为霍尔元件的灵敏度。利用上述霍尔电动势表达式：，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。三、需用器件与单元：主机箱、霍尔转速传感器、转动源。四、实验步骤：1、根据
