一、電渦流傳感器位移實驗目的：
了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。
二、電渦流傳感器位移基本原理：
電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測物體（導電體—金屬渦流片）組成，如圖17.1.1所示。根據電磁感應原理，當傳感器線圈（一個扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz～2MHz）I1時，線圈周圍空間會產生交變磁場H1，當線圈平面靠近某一導體面時，由于線圈磁通鏈穿過導體，使導體的表面層感應出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又穿過傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，原線圈反饋一等效電感，從而導致傳感器線圈的阻抗Z發生變化。我們可以把被測導體上形成的電渦等效成一個短路環，這樣可得到如圖17.1.2的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線
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圖17.1.1 電渦流傳感器原理圖 圖17.1.2電渦流傳感器等效電路圖
圈的電阻和電感。短路環可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距的減小而增大。
根據等效電路可列出電路方程組：
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通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復阻抗為：
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線圈的等效電感為：
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線圈的等效Q值為：
Q＝Q0{[1-(L2ω2M2)/(L1Z22)]／［1+(R2ω2M2)/( R1Z22)］}
式中：Q0 — 無渦流影響下線圈的Q值，Q0＝ωL1／R1；
Z22— 金屬導體中產生電渦流部分的阻抗，Z22＝R22+ω2L22。
由式Z、L和式Q可以看出，線圈與金屬導體系統的阻抗Z、電感L和品質因數Q值都是該系統互感系數平方的函數，而從麥克斯韋互感系數的基本公式出發，可得互感系數是線圈與金屬導體間距離x(H)的非線性函數。因此Z、L、Q均是x的非線性函數。雖然它整個函數是一非線性的，其函數特征為"S"型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。其實Z、L、Q的變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈的幾何參數、激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離有關。如果控制上述參數中的一個參數改變，而其余參數不變，則阻抗成為這個變化參數的單值函數。當電渦流線圈、金屬渦流片以及激勵源確定后，并保持環境溫度不變，則只與距離x有關。于此，通過傳感器的調理電路（前置器）處理，將線圈阻抗Z、L、Q的變化轉化成電壓或電流的變化輸出。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器是根據這一原理實現對金屬物體的位移、振動等參數的測量。
為實現電渦流位移測量，必須有一個專用的測量電路。這一測量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應包括具有一定頻率的穩定的震蕩器和一個檢波電路等。電渦流傳感器位移測量實驗框圖如圖17—2所示：
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圖17—2 電渦流位移特性實驗原理框圖
根據電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個參數，用相應的測量電路（前置器）來測量。
本實驗的渦流變換器為變頻調幅式測量電路，電路原理與面板如圖17—3所示。電路組成：⑴Q1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器，產生頻率為1MHz左右的正弦載波信號。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉換成高頻載波信號的幅值變化。⑵D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的π形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調幅信號中傳感器檢測到的低頻信號取出來。⑶Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。
電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。當無被測導體時，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且很高，對應的檢波輸出電壓Vo 很大。當被測導體接近傳感器線圈時，線圈Q值發生變，振蕩器的諧振頻率發生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移x的變化。電渦流傳感器在位移、振動、轉速、探傷、厚度測量上得到應用。
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圖17—3電渦流變換器原理圖與面板
三、需用器件與單元：
機頭靜態位移安裝架、電渦流傳感器、被測體(鐵圓片) 、測微頭、主板F／V表、渦流變換器、示波器（自備）。
四、實驗步驟：
1、觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。調節測微頭初始位置的刻度值為5mm處，按圖17—4安裝測微頭、被測體、電渦流傳感器（注意安裝順序：先將測微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內，再將被測體套在測微頭的測桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；而后平移測微頭安裝套使被測體與傳感器端面相帖時擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘）并按圖接線。
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圖17—4 電渦流傳感器安裝、按線示意圖
2、將電壓表（F／V表）量程切換開關切換到20V檔，檢查接線無誤后將渦流變換器的撥動開關撥到“開”位置，開啟主電源開關，記下電壓表讀數，然后逆時針調節測微頭微分筒每隔0.1mm讀一個數，直到輸出Vo變化很小為止并將數據列入表17。（在輸入端可接示波器觀測振蕩波形）
表17 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數據
3、根據表17數據，畫出V－X曲線，根據曲線找出線性區域試計算靈敏度和線性度（可用小二乘法或其它擬合直線）。實驗完畢，關閉所有電源。