东南大学检测技术第2次实验报告.docx

东南大学自动化学院

实 验 报 告

课程名称： 检测技术

第 2 次实验

实验名称： 实验九、实验十二、实验十三
院（ 系）： 自动化 专 业： 自动化
姓 名： 学 号：
实 验 室： 常州楼5楼 实验组别：
同组人员： 实验时间： 2016年12月02日
评定成绩： 审阅教师：

目 录
实验九 电容式传感器的位移实验
一、 实验目的·······················································3
二、 基本原理·······················································3
三、 实验器材·······················································3
四、 实验步骤·······················································3
五、 实验数据处理···················································4
六、 思考题·························································5
实验十二 电涡流传感器位移实验
一、 实验目的·······················································6
二、 基本原理·······················································6
三、 实验器材·······················································6
四、 实验步骤·······················································6
五、 实验数据处理···················································7
六、 思考题·························································9
实验十三 被测体材质、面积对电涡流传感器的特性影响实验
一、 实验目的·······················································10
二、 基本原理·······················································10
三、 实验器材·······················································10
四、 实验步骤一·····················································10
五、 实验步骤二·····················································10
六、 实验数据处理···················································11
七、 实验小结·······················································15

实验九 电容式传感器的位移实验
一、实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理
利用电容 C＝εA／d 的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d 三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d 变）和测距离、液位（A 变）等多种电容传感器。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图 3-6 所示：由二个圆筒和一个圆柱组成。
设圆筒的半径为 R；圆柱的半径为 r；圆柱的长为 x，则电容量为 C=ε 2 πｘ／ln(R／r)。
图中 C1、C2 是差动连接，当图中的圆柱产生∆X 位移时，电容量的变化量为∆C=C1－
C2=ε 2 π2∆X／ln(R／r)，式中 ε 2 π、ln(R／r)为常数，说明∆C 与位移∆X 成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图 3-6 电容式位移传感器结构
三、实验器材
主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

图 3-7 电容传感器位移实验原理图
四、实验步骤

1、 按图 3-8 将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1 接主机箱电压表的Ｖin。
2、 将实验模板上的 Rw 调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传３圈）。
3、 将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档，合上主机箱电源开关；旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ ，再转动测微头（向同一个方向）5 圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；此后，反方向每转动测微头 1 圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数，共转 10 圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）；将数据填入表 3-7 并作出Ｘ—Ｖ实验曲线。
4、 根据表 3-7 数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。

图 3-8 电容传感器位移实验安装、接线图
五、实验数据处理
1、实验数据
X(mm)
12.35
11.85
11.35
10.85
10.35
9.85
9.35
8.85
8.35
7.85
7.35
V(mv)
456
233
161
94
27
-41
-102
-175
-249
-325
-407
表 3-7 电容传感器位移与输出电压值
记位移为X，电压为Y，拟合曲线表达式为：
y=153.5x-1542
非线性误差δ的计算：
由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(12.35,456)处，故
∆u=102.275mv，yFS=456mv
δ=∆uyFS ×100%=22.43%
系统灵敏度：
S=∆U∆X=153.5
2、实验曲线

六、思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？
答：由于是测谷物的湿度的，当次传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，当电容的S与D为恒定值时C=f(ε),稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。应考虑传感器是否与谷物充分接触、谷物是否均匀从传感器之间穿过和直板传感器的边缘效应。

实验十二 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
通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），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。
三、实验器材
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

图 4-4 电涡流传感器原理图
1、 观察传感器结构，这是一个平绕线圈。根据图 4-5 安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。
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。将数据列入表 4-2。
3、 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 3 mm 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。

图 4-4 电涡流传感器安装、按线示意图
五、实验数据处理
1、 实验数据
X(mm)
12.25
12.35
12.45
12.55
12.65
12.75
12.85
12.95
13.05
13.15
V(v)
0.03
0.09
0.16
0.23
0.32
0.41
0.50
0.58
0.68
0.77
X(mm)
13.25
13.35
13.45
13.55
13.65
13.75
13.85
13.95
14.05
14.15
V(v)
0.87
0.98
1.08
1.16
1.28
1.38
1.49
1.60
1.71
1.82
X(mm)
14.25
14.35
14.45
14.55
14.65
14.75
14.85
14.95
15.05
15.15
V(v)
1.93
2.05
2.16
2.25
2.34
2.45
2.56
2.68
2.73
2.85
X(mm)
15.25
15.35
15.45
15.55
15.65
15.75
15.85
15.95
16.05
16.15
V(v)
2.97
3.09
3.22
3.34
3.46
3.59
3.68
3.82
3.96
4.08
X(mm)
16.25
16.35
16.45
16.55
16.65
16.75
16.85
16.95
17.05
17.15
V(v)
4.20
4.32
4.43
4.54
4.66
4.77
4.88
4.99
5.08
5.19
X(mm)
17.25
17.35
17.45
17.55
17.65
17.75
17.85
17.95
18.05
18.15
V(v)
5.29
5.39
5.49
5.59
5.69
5.78
5.87
5.96
6.04
6.13
X(mm)
18.25
18.35
18.45
18.55
18.65
18.75
18.85
18.95
19.05
19.15
V(v)
6.21
6.29
6.37
6.45
6.53
6.60
6.68
6.75
6.82
6.89
X(mm)
19.25
19.35
19.45

V(v)
6.92
6.92
6.92

表 4-2 电涡流传感器位移 X 与输出电压数据
记位移为X，电压为Y，线性区域为X=13.15~X=15.95，最佳工作点为(15.55,3.34)。
测量范围为1mm时，拟合曲线表达式为：
y=0.8509x-10.43
线性度：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(12.55,0.23)处，故
∆u=0.0188V，yFS=0.8509V
δ=∆uyFS ×100%=2.21%
灵敏度：S=∆U∆X=0.8509
测量范围为3mm时，拟合曲线表达式为：
y=1.009x-12.45
线性度：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(12.25,0.03)处，故
∆u=0.05975V，yFS=3.027V
δ=∆uyFS ×100%=1.97%
灵敏度：S=∆U∆X=1.009
2、 实验曲线

图4.3 测量范围为1mm时拟合曲线

图4.4 测量范围为3mm时拟合曲线
六、思考题
1、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？
答： 金属导体的电阻率c，厚度t，线圈的励磁电流角频率ω以及线圈与金属块之间
的距离x等参数会影响传感器的量程。
2、 用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
答：可以通过贴金属片等方式进行测量，并保证所测量的位移在所选的传感器量程范围内。

实验十三 被测体材质、面积对电涡流传感器的特性影响实验
一、实验目的
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
了解不同的被测体形状、尺寸对电涡流传感器性能的影响。
二、基本原理
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不
充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，
往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。
三、实验器材
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、三个圆片被测体（铁、铜和铝）、二个不同形状铝被测体（被测体面积不同）。
四、实验步骤一——被测体材质对电涡流传感器性能的影响
1、 实验步骤与方法同实验十二。
2、 将实验十二的被测体铁圆片换成铝和铜圆片，重复实验十二步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别将数据列入表和表 4-3 表表 4-4。
3、 根据表 4-3 和表 4-3 画出实验曲线分别计算量程为 1mm 和 3mm 时的灵敏度和非线性误差（线性度）。
4、 分别比较实验十二和本实验所得结果，进行小结。实验完毕，关闭电源。
五、 实验步骤二——被测体形状、尺寸对电涡流传感器性能的影响
1、 实验步骤与方法同实验十二。
2、 在测微头的测杆上分别用二种不同面积的被测铝材进行电涡位移特性测定，并分别将实验数据列入表 4-5。
3、 根据表 4-5 数据画出实验曲线，计算二种被测体 1 号、2 号的灵敏度、并说明理由。实验完毕，关闭电源。
六、 实验数据处理
1、 被测体为铝圆片
X(mm)
12.25
12.35
12.45
12.55
12.65
12.75
12.85
12.95
13.05
13.15
V(v)
1.47
1.49
1.65
1.89
2.12
2.34
2.56
2.78
3.01
3.23
X(mm)
13.25
13.35
13.45
13.55
13.65
13.75
13.85
13.95
14.05
14.15
V(v)
3.44
3.64
3.84
4.05
4.24
4.43
4.61
4.79
4.96
5.14
X(mm)
14.25
14.35
14.45
14.55
14.65
14.75
14.85
14.95
15.05
15.15
V(v)
5.30
5.45
5.61
5.74
5.89
6.03
6.16
6.30
6.43
6.55
X(mm)
15.25
15.35
15.45
15.55
15.65
15.75
15.85
15.95
16.05
16.15
V(v)
6.66
6.77
6.88
6.99
7.09
7.18
7.27
7.36
7.45
7.53
X(mm)
16.25
16.35
16.45
16.55
16.65
16.75
16.85
16.95
17.05
17.15
V(v)
7.61
7.68
7.75
7.83
7.90
8.02
8.08
8.14
8.20
8.25
X(mm)
17.25
17.35
17.45
17.55
17.65
17.75
17.85
17.95
18.05
18.15
V(v)
8.30
8.35
8.39
8.43
8.47
8.52
8.55
8.60
8.63
8.67
X(mm)
18.25
18.35
18.45
18.55
18.65
18.75
18.85
18.95
19.05
19.15
V(v)
8.70
8.73
8.76
8.80
8.84
8.88
8.90
8.90
8.90
8.90
表 4-3 被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
记位移为X，电压为Y，
测量范围为1mm时，拟合曲线表达式为：
y=2.101-24.42
线性度：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(12.25,1.47)处，故
∆u=0.1527V，yFS=2.101V
δ=∆uyFS ×100%=7.27%
灵敏度：S=∆U∆X=2.101
测量范围为3mm时，拟合曲线表达式为：
y=1.818 -20.74
线性度：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(12.35,1.49)处，故
∆u=0.2223V，yFS=5.454V
δ=∆uyFS ×100%=4.076%
灵敏度：S=∆U∆X=1.818
图4.5 测量范围为1mm时拟合曲线

图4.6 测量范围为3mm时拟合曲线
2、 被测体为铜圆片
X(mm)
12.25
12.35
12.45
12.55
12.65
12.75
12.85
12.95
13.05
13.15
V(v)
1.14
1.27
1.48
1.68
1.87
2.08
2.30
2.50
2.70
2.90
X(mm)
13.25
13.35
13.45
13.55
13.65
13.75
13.85
13.95
14.05
14.15
V(v)
3.10
3.30
3.50
3.68
3.86
4.05
4.24
4.42
4.58
4.75
X(mm)
14.25
14.35
14.45
14.55
14.65
14.75
14.85
14.95
15.05
15.15
V(v)
4.92
5.08
5.24
5.39
5.53
5.68
5.83
5.96
6.08
6.21
X(mm)
15.25
15.35
15.45
15.55
15.65
15.75
15.85
15.95
16.05
16.15
V(v)
6.33
6.46
6.57
6.68
6.78
6.89
6.99
7.09
7.18
7.27
X(mm)
16.25
16.35
16.45
16.55
16.65
16.75
16.85
16.95
17.05
17.15
V(v)
7.36
7.45
7.53
7.61
7.68
7.75
7.82
7.88
7.94
8.01
X(mm)
17.25
17.35
17.45
17.55
17.65
17.75
17.85
17.95
18.05
18.15
V(v)
8.07
8.13
8.24
8.28
8.33
8.38
8.42
8.47
8.51
8.55
X(mm)
18.25
18.35
18.45
18.55
18.65
18.75
18.85

V(v)
8.59
8.63
8.67
8.71
8.75
8.75
8.75

表 4-4 被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
记位移为X，电压为Y
测量范围为1mm时，拟合曲线表达式为：
y=2.005x-23.47
线性度：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(12.25,1.14))处，故
∆u=0.04875V，yFS=2.005V
δ=∆uyFS ×100%=2.43%
灵敏度：S=∆U∆X=2.005
测量范围为3mm时，拟合曲线表达式为：
y=1.777x-20.51
线性度：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点(15.05,6.08)处，故
∆u=0.1538V，yFS=5.331V
δ=∆uyFS ×100%=2.885%
灵敏度：S=∆U∆X=1.777

图4.7测量范围为1mm时拟合曲线

图4.8测量范围为3mm时拟合曲线
被测体为铝圆片2
X(mm)
12.25
12.35
12.45
12.55
12.65
12.75
12.85
12.95
13.05
13.15
V(v)
4.10
4.33
4.55
4.75
4.96
5.13
5.28
5.42
5.54
5.65
X(mm)
13.25
13.35
13.45
13.55
13.65
13.75
13.85
13.95
14.05
14.15
V(v)
5.75
5.84
5.91
5.97
6.03
6.08
6.12
6.15
6.17
6.17
X(mm)
14.25
14.35
14.45
14.55

V(v)
6.18
6.19
6.19
6.19

表 4-5 不同尺寸时的被测体特性数据
记重量为X，电压为Y，当测量范围为1mm时，拟合曲线表达式为：
y=1.651 x-16.01
系统灵敏度：
S=∆U∆W=1.651

图4.9测量范围为1mm时拟合曲线
七、 实验小结
灵敏度S
测量范围
材料

1mm
3mm
铁
0.8509
1.009
铜
2.005
1.777
铝（大）
2.101
1.818
铝（小）
1.651

表4-6 不同材质、大小材料的灵敏度
可以看出，在铁、铜、铝三种材质中，灵敏度最大的是铝，其次是铜，最后是铁。而对于相同材料，面积较大的灵敏度较高。

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