电涡流传感器

自动检测与转换技术第四章电涡流传感器本章学习电涡流传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性参数及应用。第一节电涡流传感器工作原理一、电涡流效应电涡流传感器是根据电涡流效应进行工作的，即利用金属导体置于变化的磁场中，产生感应电流，从而在金属体内形成自行闭合的电涡流线，这种现象称为电涡流效应。电涡流效应演示当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。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涡流原理电涡流的应用干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈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。二、集肤效应集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。当金属导体置于变化的磁场中，产生电涡流，而电涡流在金属导体的纵深方向并不均匀，只集中在金属导体的表面，这种现象称为集肤效应（也称趋肤效）。三、等效阻抗分析检测深度与激励源频率有何关系？电涡流线圈等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jωL=f（i1、f、、、r、x）如果控制上式中的i1、f、、、r不变，电涡流线圈的阻抗可以反映哪个量？属于接触式测量还是非接触式测量？电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率、磁导率及线圈的几何参数、激励电流的频率及线圈到被测金属导体的距离等参数有关。等效阻抗与非电量的测量检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz-1MHz。频率越低，检测深度越深。间距的测量：如果控制式中的i1、f、、、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。其他用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。第二节电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形交变磁场一、传感元件：电涡流探头。是一个固定在框架上的扁平线圈，激励源频率较高（数十千赫至数兆赫）。电涡流探头内部结构1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头CZF-1系列传感器的性能分析上表：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？二、被测体材料、形状对灵敏度的影响（1）被测体材料：对非磁性材料：被测体的电导率越高，灵敏度越高对磁性材料：磁导率影响是电涡流线圈的感抗，磁滞损耗影响电涡流线圈的Q值，灵敏度视具体情况而定（2）被测体形状圆盘状物体：物体直径应大于线圈直径的2倍以上，否则灵敏度降低轴状圆柱体的圆弧表面：直径必须为线圈直径的4倍以上大直径电涡流探雷器第三节测量转换电路一、调幅式（AM）电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响。当被测体为非磁性金属时，探头线圈的等效电感L减小、R增大，引起Q值下降。并联谐振回路的谐振频率f1f0，处于失谐状态，输出电压大大降低。当被测体为磁性金属时，探头线圈的等效电感L略增大、Q值下降，输出电压也大大降低。被测体与探头间距越小，输出电压越低。二、调频（FM）式电路(100kHz-1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。并联谐振回路的谐振频率设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f。014-32fLC鉴频器特性使用鉴频器可以将f转换为电压Uo鉴频器的输出电压与输入频率成正比鉴频器在调频式电路中的应用设电路参数如上页，计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电压Uo；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头的输出频率f上升为500kHz，f为多少？输出电压Uo又为多少？作业P75：第6题休息一下第四节电涡流传感器的应用电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。即使要用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。一、位移测量电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。位移传感器的分类（a）测量轴的轴向振动1、位移计的几种实例（c）测量金属试件的热膨胀系数（b）测量磨床换向阀、先导阀的轴位移位移测量包含偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等，来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。2、位移测量仪外形数显位移测量仪及探头电涡流传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移。测量位移范围可从0—1mm到0—30mm。4-20mA电涡流位移传感器外形齐平式电涡流位移传感器外形齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。V系列电涡流位移传感器外形齐平式V系列电涡流位移传感器性能一览表3、电涡流位移传感器的应用偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度测量尺寸、公差及零件识别通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小测量注塑机开合模的间隙间距位移的标定方法使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线1—量程为10mm2—量程为16mm3—量程为20mm二、振动测量用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形。调频法测量振动的波形振动测量振动测量实例汽轮机叶片测试测量悬臂梁的振幅及频率三、转速测量在金属旋转体上开一条或数条槽，在靠近金属旋转体的地方安装一个电涡流传感器，当转轴转动时，传感器周期性地改变着与旋转体表面之间的距离，其输出也周期性地变化，此信号经放大、变换后，可用频率计测出其变化频率，从而测得转轴的转速。转速测量过程若转轴上开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齿轮转速测量例：下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。60fnz电动机转速测量四、镀层厚度测量由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出电压”的标定曲线，以便测量时对照。电涡流测厚演示电涡流涂层厚度仪电涡流涂层厚度仪原理图五、电涡流式通道安全检查门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。安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警六、电涡流表面探伤利用电涡流传感器可检查金属表面裂纹及焊接处缺陷。探伤时，传感器与被测金属导体保持一定距离不变，检测时，如出现裂纹等缺陷，会引起导体电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压突变。手持式裂纹测量仪油管探伤探伤演示滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深30μm的表面微小裂纹。手提式探伤仪外形掌上型电涡流探伤仪用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹台式电涡流探伤仪花瓣阻抗图七、计数作业P74：第2题休息一下第五节接近开关简介接近开关:又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。接近开关外形接近开关外形接近开关外形一、常用的接近开关分类自感、差动变压器式：对导磁体电涡流式（俗称电感接近开关）：对导电良好的金属电容式：对接地的金属或导电体磁性干簧开关：对磁性较强物体霍尔式：对磁性物体光电式、微波式、超声波式等：远距离非接触测量二、接近开关的特点与机械开关相比，接近开关具有如下特点：①非接触检测，不影响被测物的运行工况；②不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；③响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；④采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；⑤无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）；⑥输出信号大，易于与计算机或PLC等接口；⑦体积小，安装、调整方便。它的缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁。三、接近开关的主要性能指标（1）额定动作距离：在规定条件下所测到的接近开关的动作距离（单位为mm）；（2）工作距离：接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离内，不产生误动作；（3）动作滞差：指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就强；（4）重复定位精度(重复性)：它表征多次测量动作距离。其数值的离散性的大小一般为动作距离的1%～5%。离散性越小，重复定位精度越高。（5）动作频率：指每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物个数或次数。四、电涡流接近开关的工作原理电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。电涡流接近开关原理框图五、常见接近开关的型号说明六、接近开关的术语解释1、动作（检测）距离:动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。2、工作距离：指接近开关在实际工作中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。被测物与接近开关之间的安装距离一般等于额定动作距离，以保证工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。3、复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。4、动作滞差（回差值）:动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。接近开关的检测距离与滞差接近开关的术语解释标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时