传感器与检测技术33电涡流式传感器

3.3电涡流式传感器当导体置于变化的磁场中或在固定磁场中运动时，导体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在导体内闭合的，称为涡流。)(5030cmfhr穿透深度式中,ρ——导体电阻率(Ω·cm)；r——导体相对磁导率；ƒ——交变磁场频率(Hz)。电涡流式传感器3.3.1高频反射式涡流传感器3.3.2低频透射式涡流传感器3.3.3涡流式传感器的应用3.3.1高频反射式涡流传感器1.基本原理2．等效电路3.传感器的结构4.测量电路1.基本原理线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈，改变了电感电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等2．等效电路电感LE表示金属板对涡流呈现的电感效应电阻RE表示在金属板上的涡流损耗互感系数M表示LE与原线圈L之间的相互作用R为原线圈L的损耗电阻C为线圈与装置的分布电容22222111)1(LKRLKjKLjRLjRMLjRZEEEL考虑到涡流的反射作用，L两端的阻抗ZL可用下式表示式中,ω——信号源的角频率；K——耦合系数，K2=M2／(L·LE)。)(SL)(cm1频率（MHZ）感抗电阻RE10.10.0020.02101.00.00630.06310010.00.020.2表3.4.1不同频率时的感抗分量与电阻分量计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间的数量关系可以进行估计。金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈按一定方式结合起来的总效应来等效。100cm由于RωLE则式(3.4.2)可以简化为)1(22KLjKLLRRZEELZL的虚部与金属板的电阻率无关，而仅与耦合系数K有关，即仅与线圈至金属板之间的距离有关在实际条件下，即K1，并有RωLE可以认为式(3.4.2)在特定条件下(测量信号频率较高，金属板电阻率较小且变化范围不大)存在着以下的关系)1(22KLKLLREE3.传感器的结构1.线圈2.框架3．框架衬套4．支架5．电缆6．插头4.测量电路定频测距电路调频测距电路定频测距电路将L—x的关系转换成U—x的关系。通过检波电压U的测量，就可以确定距离x的大小。这里U—x，曲线与金属板电阻率的变化无关。若去掉金属板，则L=L∞(即x趋于∞时的L值)。如果在保持幅值不变的情况下，改变正弦振荡器的频率，则可以得到U—曲线，即传感器回路的并联谐振曲线谐振频率为并CLfo21有金属板时，设振荡器的频率为f0。若改变金属板与传感器之间的距离x，则U—x曲线当x足够大时(此时L=L∞，U=U∞)，回路处于并联谐振状态。调频测距电路当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时，引起线圈的电感量L发生变化，从而使振荡器的频率改变，然后通过鉴频器将频率变化再变成电压输出。调频式测量电路图CxLf)(21电容三点式振荡器射极输出器传感器输出电缆的分布电容的影响不能忽视的。1钢板2铜板电涡流式传感器3.4.1高频反射式涡流传感器3.4.2低频透射式涡流传感器3.4.3涡流式传感器的应用3.3.2低频透射式涡流传感器透射式涡流传感器原理线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据:E的大小间接反映了M的厚度t当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗的值是不同的，从而使E—t曲线的形状发生变化。在t较小的情况下，Qs3曲线的斜率大于Qs1曲线的斜率；而在t较大的情况下，Qs1曲线的斜率大于Qs3曲线的斜率。测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。测试频率与材料关系对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不同时，渗透深度Q渗的值也不相同，于是又引起E－t曲线形状的变化，为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动ρ时保持Q不变，这时应该相应地改变f。测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的f(500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时，则选用较高的f(2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。电涡流式传感器3.4.1高频反射式涡流传感器3.4.2低频透射式涡流传感器3.4.3涡流式传感器的应用3.3.3涡流式传感器的应用x,,x被测参数变换量特征位移、厚度、振动（1）非接触测量，连续测量（2）受剩磁的影响。表面温度、电解质浓度材质判别、速度（温度）（1）非接触测量，连续测量；（2）对温度变化进行补偿应力、硬度（1）非接触测量，连续测量；（2）受剩磁和材质影响探伤可以定量测量1．位移测量(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图2．振幅测量(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近3．厚度测量电涡流式厚度计的测量原理图4．转速测量60nfNf——频率值(Hz)；n——旋转体的槽(齿)数；N——被测轴的转速(r／min)。5.涡流探伤可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数(x,ρ,μ)的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号a)比较浅的裂缝信号b)经过幅值甄别后的信号在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。用涡流探伤时的测量信号Endthe3.4