电涡流测温传感器

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1、湖南科技大学传感器课程设计题目_电涡流式温度传感器_姓名_______刘博________学院____机电工程学院____专业___测控技术与仪器___学号____0703030124______指导教师______余以道______________杨书仪________成绩____________________2010年6月23日12课程设计任务书A(偏重传感器结构设计)基本要求1、工作在常温、常压、静态、环境良好；2、精度：0.1％FS3、分辨率：按参考文献上常用传感器类比；4、测量范围：按参考文献上常用传感器类比；

2、5、传感器及其辅助结构设计(装配图1张，零件图1张）6、电路设计（硬件电路及分析,电路图1张）7、可以不同班级的两人选同一题，但结构、测量范围、测量方式、测量电路等至少一项不同。12目录一、传感器设计要求……………………………………………………4二、基本原理……………………………………………………………4三、总体设计方案………………………………………………………7四、传感器的结构设计…………………………………………………8五、测控电路……………………………………………………………9六、精度误差分析…………………………………

3、……………………12七、参考文献……………………………………………………………1212一传感器设计要求一种金属表面温度非接触测量方法。通过对传感器非接触在线测温原理的分析，提出给传感头施以稳定的低频激振信号，使其在测量时处于传感器的线性范围内(即恒灵敏区)，以消除传感器与被测金属体之间的间隙对温度的影响。相关实验结果表明，该方法能有效地克服零漂问题，且具有起始间隙大，线性范围大，分辨率高的特点。在温度的测量领域中，急需发展的是非接触测量技术。而在已有的非接触温度测量方法中，电涡流测温的方法很少，原因是与电涡流多项参数都与温

4、度有关，不易实现直接单一的对应关系，例如传感器与被测金属之间的间隙较难保证距离不发生变化，间距大的话则可能无法检测。还有对于非磁性材料来说，温度系数较小，灵敏度就不会高。因此，要求传感器与被测金属之间的间隙保持不变，测量温度系数大的磁性材料，且被测金属材料表面温度不是很高。二基本原理金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体内转圈，这种现象称为涡流效应。如图根据法拉第定律，当传感器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，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2

5、，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。电涡流原理图电涡流式传感器原理图传感器激励线圈;（b）被测金属导体12基本特性电涡流式传感器简化模型电涡流传感器简化模型如上图所示。模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内：根据简化模型，可画出下图所示的等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为：根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：式中：ω——线圈激磁电流角频率；R1、

6、L1——线圈电阻和电感；L2——短路环等效电感；R2——短路环等效电阻；M——互感系数。12上式解得等效阻抗Z的表达式为：式中：Req——线圈受电涡流影响后的等效电阻电涡流式传感器等效电路图由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，同时还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：Z=F(ρ,μ,r,f,x)式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。如果保持上式中其它参

7、数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。利用材料电阻率ρ作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器；涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强。12三总体设计方案当线圈通有高频电流时．将产生一高频交变磁场。当被测导体靠近检测线圈时在其表面将产生一交变电涡流，电涡流又产生另一交变磁场，其相位超前线圈磁场90°。这种交链的结果使得线圈的等效阻抗发生变化。由于影响电涡流的因素有：间隙的大小

8、．Tg、金属体的电导率和导磁率等，而金属体的电导率和导磁率又与金属体的温度有关。下面是去除间距对温度耦合的方法如果在测量过程中其它条件不变，则影响线圈阻抗的外部因素就只有间隙的大小x和金属体的温度(或电阻率)，若能保持间隙的大小x不变，则测出线圈阻抗的变化量，就可知道金属体表面的温度。但在实际应用中，检