第四章-电涡流式传感器(2013)

第四章电涡流式传感器电涡流式传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激励源（传感器线圈）。被测对象以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。电涡流式传感器的工作原理是基于电涡流效应,电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。优点：测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，结构简单，安装方便等特点具有非接触测量的优点电涡流传感器的基本形式是电涡流式位移传感器，是基于它的位移输出特性，本章以电涡流式位移传感器为重点，主要讲解电涡流线圈与待测导体间距离变化时呈现的一些特性以及应用。电涡流的应用——在我们日常生活中经常可以遇到1）干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈2）电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。3）大直径电涡流探雷器§4-1工作原理一、工作原理一个通有交流电流J1的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1。被测导体置于该磁场周围之内，被测导体内变会产生电涡流J2，电涡流也将产生一个新的磁场H2。H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。阻抗,,,,,,1ItxrFZ电感,,,,,,21ItxrFL品质因数,,,,,,3ItxrFQ,,,,,,为激励线圈半径为频率，为电流为厚度为距离为电导率为金属导体的磁导率rItx涡电流如果控制上面公式中的某些参数不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗就成为这个参数的单值函数。特别是在恒定不变时。Z就变成距离x的单值函数。因此，电涡流传感器是一个载流线圈加上金属导体。、、、、、Itr二、等效电路分析精确列出线圈阻抗与线圈到被测导体距离等参数之间的函数是比较困难的，可将涡电流等效为一个短路线圈，它与传感线圈构成耦合线圈。由基尔霍夫定律，得：02222121111ILjIRIMjUIMjILjIR解：ZULLRMLjRLRMRUI22222221221222211传感器等效阻抗：2222222122222221LLRMLjRLRMRZ222212222212112222121222212111)1()1(ZMRRZMLLRLZMRRRZMLLLRLQ记AZMLRM2222222222线圈等效阻抗：222221222221)(ZMLLjZMRRZ线圈等效电阻：222221ZMRRR线圈等效电感：222221ZMLLL线圈的品质因数：2Z金属导体中产生的涡电流环的阻抗Q0无涡流影响（4）在金属导体上流动的电涡流必然产生热量而消耗能量，使线圈阻抗的实数部分增加，导致品质因数Ｑ值下降。xFQxFLxFZ3211,,讨论（1）阻抗、电感、品质因数都与互感系数M有关。M与x为非线性关系，即：（2）若被测体为磁性材料，则x减小，L1增大；若被测导体为非磁性材料，则L1=const.;（3）L中第二项与电涡流有关，电涡流产生一与原磁场方向相反的磁场并由此减小线圈的电感，间距x越小，电感的减小程度就越大。222221ZMLLL222221ZMRRR一、电涡流与轴向距离的关系由线圈－导体的电磁作用，可得导体中电涡流为：2112221111ososxIIIxrrx为线圈激励电流1I为间距x为线圈外半径osr§4-2电涡流形成的范围电涡流不仅是距离x的函数，而且只在被测导体的表面薄层内及半径方向的有限范围内形成。21osIxrI15.005.0osrX1、电涡流随轴向距离x的增加而迅速减小；即：讨论2、为了获得较强的电涡流效应，应保证：1osrx一般：一种简化的模型如图。导体假设只有一个环，而环中的电流密度（电流/单位面积）是半径的函数：osoosorrrevjrrevjj114141440,osrrv度时，电涡流（最大）密为1vjo二、涡电流的径向形成范围被测金属线圈外半径线圈内半径。或当：最大电流密度，当：0,,0;,0jrrjjrrros525.0osirr89.1osorr讨论525.0osirr89.1osorr1、当时，即在线圈外径处，电涡流密度最大（＝jo)；2、在线圈的轴线附近，电涡流非常小，可以设想为一个孔，这个孔的孔径为；3、当（称“有效外径”时，电流密度衰减到最大值的5％）osrr)(525.0iosrrr)(89.1oosrrroj－金属表面涡流密度（即最大电流密度）；ｔ－趋肤深度（轴向贯穿深度）；ejjot在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为：三、电涡流的轴向贯穿深度由于“趋肤效应”，涡流密度在金属导体中的轴向分布按指数规律衰减：txoxejj－金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度；xj“趋肤效应”(集肤效应）—交流电通过导体时，由于感应作用，引起导体截面积上电流分布不均匀；越近导体表面，电流密度越大。则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。贯穿深度值可由下式计算：,5000fftrro导体电阻率；r相对磁导率；f激励频率（1）贯穿深度与被测体的材料有关；（2）当被测导体材料一定时。轴向贯穿深度是激励频率的函数。频率越高，趋肤深度越小。讨论§4-3电涡流传感器的设计一、线圈的形状和大小在线圈中，取单匝载流圆导线，在其轴上的磁感应强度：232220)(2rxrIBp毕奥－沙法－拉普拉斯定律bsrosdrdxrisBpxrx传感器线圈在轴上的磁感应强度r扁平导线，单位面积上的电流密度：sisosbrrNIj)(取通过截面积为dxdr处的圆形电流：dxdrbrrNIisisos)(此电流在轴上x处所产生的磁感应为：dxdrbrrNrxrIdBsisosp)()(2232220则，整个载流扁平线圈在x处所产生的总的磁感应强度：dxdrrxrbrrNIdBBosisrrxxsoiospp21232220)()(2积分结果：22222222ln)()(ln)()(2xrrxrrxbxrrbxrrbxbrrNIBososisissosossisisbssisosop1、线圈外径越大，线圈的磁场轴向分布范围（即线性范围）越大，但是磁感应强度的变化的梯度（即灵敏度）越小；反之亦然。2、线圈内径的变化对线性范围和灵敏度影响不大。3、线圈厚度的变化对线性范围和灵敏度影响不大。讨论1234561-线圈2-框架3-框架衬套4-支架5-电缆6-插头4-10CZF型传感器结构§4－4被测体材料形状和大小的影响一.被测体材料的影响被测体材料影响传感器线圈的阻抗影响灵敏度1.被测体电导率线圈等效阻抗R电涡流2I灵敏度2.非磁性体比磁性体的测量灵敏度高222222221LRMLLL（对原磁场影响大）线圈等效电感L；磁性体导磁率引起变化1L2222222LRMA涡流效应引起变化即变化不大ALLLALx2113.若被测体表面有镀层且不均匀，则当激励频率f使趋肤深度t时，干扰影响强烈。即磁性材料灵敏度低。二．被测体大小形状的影响为了充分地有效利用电涡流效应，被测体的大小、形状应不影响电涡流形成的有效范围。否则灵敏度下降。a.被测体的面积要求线圈面积圆柱体被测体直径线圈直径的3.5倍以上。b.厚度要求0.2mm525.0osirr89.1osorr三．环境影响b.测量非磁性材料时，周围的磁场对测量无影响。而测量磁性材料时，周围的磁场若ｙ方向，则对测量有影响。a.传感器线圈周围，除被测导体外，应尽可能避开其他导体。四．安装传感器线圈（未加屏蔽时）与非被测金属之间，至少需要相距一个线圈的直径大小非被测金属一．电桥电路（阻抗变换电路）两个传感器线圈差接与21LL222111//,//CLZCLZ01221uRZRZ电桥输出　平衡时：当被测体与线圈耦合时，xfZ电桥失衡0u经放大桥波输出§4－5测量电路用于差动式电涡流传感器如图两个涡电流传感器组成差动结构二．谐振法：谐振频率LCfo21谐振时，回路的阻抗最大：CRLZo'ZZZfffLLLoooo'''时，当将线圈电感Ｌ与固定电容并联成谐振电路。（一）调幅法石英振荡器产生稳压稳频的高频激励电压。调幅法原理框图石英晶体传感器源级输出高频放大器检波滤波输出接近被测体时，由L而失谐，Q振幅下降oU曲线变纯，并向左右移动。若磁性材料：由于磁效应LcLLfo21曲线左移uE1若非磁性材料：LcLLfo21曲线右移uE'1无被测体时，谐振状态.uZLx（二）调频法如图ufcLLfLx频率－电压转换频率计0021（三）正反馈法电感做放大器的反馈元件：xL放大器放大倍数k输出电压变化u§4－6其它形式的电涡流传感器u1u2L1L2h低频电涡流测厚仪t1t2t3t1t2t3u2h一般：f=1000Hzft§4－7电涡流传感器的应用电涡流传感器的外形：电涡流传感器的特性：能够准确地检测到瞬时变化。高速数字处理线路可以准确地检测到常规的取样速度检测不到的实际峰(底)值。高准确度的FLL线路为得到高准确度的FLL线路(平级线性化),可对每一个感测头采用最佳的线性化校正。只要简单的调整就能够以同级中最佳的准确度进行测量。电涡流传感器的特性：转速测量计数测厚度探伤测振动测温测位移主要应用a）测位移测量封口机工作间隙市场上自动封口机，利用电涡流原理。待封口位置含铝，检测到封口位置时，电涡流效应产生热量，实现封口。间隙越大，电涡流越小位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头位移测量第四章非电量的电测技术b）安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。电涡流安全门c）测振动汽轮机叶片测试测量悬臂梁的振幅及频率振幅测量齿轮转速测量_电动机转速测量例：下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。d）测转速若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为60fnz用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹e）探伤手持式裂纹测量仪油管探伤涡流探伤d）电涡流测厚e）电涡流计数