常用传感器工作原理(电涡流式)

第3章常用传感器的工作原理2何谓涡流？在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。3.5电涡流式传感器当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）将集中在导体表面流通，尤其当频率较高时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。3交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度：h)(5030cmfhr可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。rf导体的电阻率导体相对磁导率交变磁场频率4高频反射式如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i1时，便产生交变磁通量Φ1，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场Φ2，与线圈的磁场变化方向相反，Φ2总是抵抗Φ1的变化，由于涡流磁场Φ2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。Φ1i1Φ2i2涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。1MHz5一般讲，线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率、磁导率、线圈与金属导体的距离以及线圈激励电流的频率等参数有关。f即，线圈阻抗是这些参数的函数，可写成(,,,)ZffZΦ1i1Φ2i26若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。④利用变换量、、等的综合影响，可以做成探伤装置等。其应用大致有下列四个方面：①利用位移作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；②利用材料电阻率作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器③利用磁导率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；(,,,)Zff7基本结构：1234561线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。8型号线性范围/m线圈外径/mm分辨力/m线性误差（%）使用温度/CCZF1-10001000713-15+80CZF1-300030001533-15+80CZF1-500050002853-15+80分析上表请得出结论：线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。9非接触电涡流式位移、振动传感器，具有非接触测量、线性范围较宽，灵敏度高、抗扰动能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。广泛应用于冶金、化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速、厚度、表面不平度等机械量的检测。10大直径电涡流探雷器11低频透射式发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板，使线圈L2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。试验表明e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测厚度。12测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。13测量电路：阻抗分压式调幅电路和调频电路12fLC并联谐振回路()Zf阻抗分压式调幅电路是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z因而传感线圈与被测体之间距离δ的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法14调频电路调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离δ发生变化时，将引起线圈电感的变化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过鉴频器进行频率－电压转换，即可得到与δ成比例的输出电压。15应用1.位移测量主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。2.转速测量在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n）金属体，旁边安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数，求出转速：60nfN3.电涡流探伤可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。16高频反射式涡流厚度传感器17涡流轴心轨迹测量18涡流振动测量涡流转速测量1920利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时能否进行位移测量？为了能对物体进行位移测量应采取什么措施。思考21电涡流的应用——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉22电磁炉内部的励磁线圈23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。