论文总字数：38109字

摘 要

电涡流传感器是以电磁互感和电涡流效应为原理的一种非接触式测量装置。电涡流传感器对精度的要求极高，往往都是十分之一毫米的数量级，其中最重要的部分就是直接测量部分——测量线圈的精度，因此对电涡流振动传感器探头部分的阻抗进行计算分析与实验研究具有重要的理论指导意义。

论文中，采用理论计算与实际测量相结合的方法，对电涡流振动传感器的阻抗与位移的关系进行了研究。论文主要内容为：首先，陈述电涡流传感器的发展和现状；其次，介绍基本工作原理，之后，对传感器的等效电路进行理论分析；第三，建立数学模型，结合理论计算公式，推导出激励线圈的等效电阻、等效电感和等效阻抗；第四，利用MATLAB编制阻抗计算程序，通过改变量程、测量范围和工作频率来比较各曲线，得出最优的量程和激励频率；第五，搭建实验平台，利用LCR试验仪对外直径为6.5mm（实际外径为5.8mm）、内直径为3.5mm的探头线圈在0.5MHz到1.2MHz的频率区间进行试验测量，得到实测阻抗随位移变化的关系数据并与理论值进行比较。

最终得出以下结论：1、线圈阻抗测量范围随激励频率的增大而增大。2、探头线圈的最佳激励频率为1.0MHz，最佳的测量范围为0.5mm—2.5mm。与实测结果吻合，表明所建数学模型能够近似代表实验测试结果。

关键词：涡流传感器 数学模型 MATLAB 激励频率 阻抗与位移关系

Analysis and Experimental Study on Impedance of Eddy Current Vibration Sensor

03013118 Wang Shen

Supervised by Tian Xinqi

Abstract

The eddy current sensor is a non-contact measuring device based on the principle of electromagnetic mutual inductance and eddy current effect. Eddy current sensor on the accuracy of the requirements are very high, often one tenth of a millimeter of the order of magnitude, the most important part of which is directly measured part of the measurement of the accuracy of the coil, so the eddy current vibration sensor probe part of the impedance analysis And experimental research has important theoretical significance.

In this paper, the relationship between impedance and displacement of eddy current vibration sensor is studied by combining theoretical calculation with actual measurement. Secondly, the basic working principle is introduced, and then the equivalent circuit of the sensor is analyzed theoretically. Thirdly, the mathematical model is established and the theoretical formula is deduced, and the theoretical formula of the eddy current sensor is presented. And the equivalent resistance and equivalent impedance of the excitation coil. Fourthly, the impedance calculation program is compiled by MATLAB, and the optimal range and excitation frequency are obtained by changing the range, measuring range and working frequency. Five, build the experimental platform, the use of LCR tester external diameter of 6.5mm (actual diameter of 5.8mm), the diameter of 3.5mm probe coil in the 0.5MHz to 1.2MHz frequency range of the test measurement, the measured impedance with the displacement Change the relationship data and compare it with the theoretical value.

The theoretical results are compared with the experimental results, and the following conclusions are drawn: 1, the coil impedance measurement range increases with the increase of the excitation frequency. 2, the probe coil of the best excitation frequency of 1.0MHz, the best measurement range of 0.5mm-2.5mm. This is consistent with the measured results, indicating that the mathematical model can be approximated on behalf of the experimental test results。

Key words: Eddy current sensor; Mathematical model; MATLAB; Excitation frequency; Impedance and displacement relation

目 录

第一章 绪论 6

1.1选题背景 6

1.2电涡流传感器技术的发展及现状 6

1.3 电涡流传感器的特点及发展趋势 8

1.3.1 电涡流传感器的特点 8

1.3.2 电涡流传感器的未来发展趋势 9

1.4 论文研究内容 9

1.5 论文结构安排 9

第二章 电涡流传感器基本原理 10

2.1 电涡流传感器工作原理 10

2.1.1 电涡流传感器结构组成 10

2.1.2 电涡流传感器测量原理 10

2.2 等效电路分析 11

2.3 电涡流传感器在发电厂中的应用 12

2.4 本章小结 14

第三章 电涡流传感器数学模型的建立 15

3.1 线圈模型的建立 15

3.1.1 线圈交流电阻 15

3.1.2 线圈自感系数 17

3.2 涡流计算环模型的建立 17

3.2.1被测导体中感生电涡流分布及均匀化处理 17

3.2.2 涡流计算环结构与参数 19

3.3 线圈与涡流计算环之间互感模型的建立 21

3.4 本章小结 23

第四章 理论计算与实验测试 24

4.1 利用 MATLAB 编写计算程序并计算 24

4.1.1 计算流程图 24

4.1.2 计算结果 25

4.2 实验测试 36

4.3 理论与实验结果对比 37

第五章 结论、误差分析与总结展望 41

5.1误差分析与结论 41

5.1.1 线性误差 41

5.1.2 误差分析 41

5.1.3 结论 42

5.2 总结与展望 43

致 谢 45

参考文献 46

附件 48

第一章 绪论

1.1选题背景

在大型火电机组中，振动和机械偏移是旋转机械运行中的普遍现象，也是核心问题，是设备安全运行的主演指标。及时、准确、经济而又可靠地获取汽轮机组等设备所对应的振动信息对于了解机组的运行状况，进而确保设备能够安全稳定地运行具有极其重要的意义^[1]。在旋转设备发生故障时，通过监测所获得的振动信号可以为故障分析及诊断提供相应的依据。

而这些旋转机械一旦发生诸如停机之类的故障将会造成极其严重的经济损失。以 600MW的火力发电厂为例，一旦火电厂的汽轮发电机组发生停机故障，仅火电厂自身用电消耗以及燃油消耗两个方面所造成的直接经济损失就约为五万到三十万元。且机组容量越大，其对应的总经济损失也就越大。因此保证旋转设备的平稳安全运行具有重要的社会经济效应，有必要对大型旋转设备的运行状态进行有效监测。

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