电涡流传感器

第四章电涡流传感器本章介绍电涡流效应、趋肤效应、电涡流传感器的原理、电涡流探头结构、特性、调幅、调频转换电路，电涡流线性位移传感器、安检门、裂纹检测等的应用，介绍接近开关的概念、分类、特性、结构、工作原理、特性参数及其应用。4.1电涡流传感器的工作原理4.2电涡流传感器的结构及特性4.3电涡流传感器的测量转换电路4.4电涡流传感器的应用4.5接近开关及应用第四章电涡流传感器目录进入进入进入进入进入第一节电涡流传感器工作原理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，Q值降低，流过电涡流线圈的电流i1增大。交变励磁引起铁心的涡流损耗Pe减小变压器铁损耗的方法：（1）使用软磁材料减小Ph；（2）增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗；（3）用很薄的互相绝缘的硅钢片（0.1mm）叠成铁心，每一片硅钢片内部的电涡流需要走较长的扁形路线，减小了电涡流损耗。ΦΦ电涡流大电涡流小电工钢（硅钢、矽钢）具有较大的电阻率和磁通密度，较小的纠顽力、电导率、剩磁和铁芯损耗，减小了变压器的损耗，提高了效率。软磁铁氧体具有较大的电阻率，所以电涡流损耗较小。与硅钢比较，在中频时还能有较高的磁导率。但是单位体积中储存的磁能较低，饱合磁化强度也较低（只有纯铁的1/5），因而不适合用于低频领域，而广泛应用于在1MHz以下的逆变电源中。电涡流在日常生活中的应用——电磁炉干净、高效的电磁炉铁磁材料制作的锅具底部既有较大的磁滞损耗,又能产生较大的电涡流,才能产生较大的热量锅具与励磁线圈的距离增大时，电涡流减小，产生报警信号，停止励磁。2020/6/79电磁炉工作原理框图电磁炉内部的励磁线圈电涡流在工业中的应用——中频炉将工频50HZ交流电转变为直流电，再逆变为中频（300HZ以上至1000HZ）电压，接到中频炉的中频绕组两端，在绕组中产生高密度的交变磁力线，耐高温容器里盛放的金属原料内部产生很大的电涡流，使金属的温度升高，甚至融化。中频炉广泛用于有色金属的熔炼、淬火或锻压。中频功率源趋肤效应（集肤效应）交变磁场的频率f越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检测深度。当100kHz～2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1，在线圈周围产生交变磁场Φ。如果将线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为趋肤效应。圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图a）直流电流时的均匀分布b）中频电流时中心部位电密度减小c）高频电流时，电流线趋向表面分布二、电涡流线圈等效阻抗分析.设电涡流线圈在高频时的等效电阻为R1（大于直流电阻），电感为L1。当有被测导体靠近电涡流线圈时，则被测导体等效为一个短路环，电涡流线圈L1与导体之间存在一个互感M。互感随线圈与导体之间距离的减小而增大。影响电涡流线圈等效阻抗的因数如果控制上式中的f、μ、σ、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为线圈与被测金属体的间距δ的单值函数，属于非接触式测量。电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z由两部分构成，即等效电感L和等效电阻R串联而成：Z=R+jωL=f(f、μ、σ、r、δ)上式中的μ、σ为金属导体的磁导率和电导率，r为表面因子，包括粗超度、沟痕、裂纹等。当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，Q值降低，等效电阻R增大。由于线圈的感抗XL的减小比R的增大大得多，故此时流过电涡流线圈的电流i1增大。电涡流线圈的等效阻抗式中R、L——电涡流线圈靠近被测导体时的等效电阻和等效电感。当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，等效电阻R增大，品质因数Q值降低：Q=ωL/R等效电阻上消耗的有功功率P增大：P=I2R222211212222212222[]j[]jUMMZRRLLRLIRLRL电涡流线圈在不同情况下的品质因数Q值越大，曲线越尖锐，后级检测电路得到的电压就越高。Q初始电涡流用于其他非电量的测量检测深度的控制：电涡流线圈的激励频率一般设定在100kHz~1MHz。频率越低，有效测量距离越大，能够检测被测金属体内部参数的深度也越深。如果控制间距δ不变，就可以用来检测与表面电导率σ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μ有关的磁性特性、表面硬度等参数。表面温度升高，电导率σ降低；表面有裂纹时，电涡流减小。第二节电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形及调理电路前置器交变磁场回目录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7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头YD9800系列电涡流位移传感器特性探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？线圈直径φ/mm壳体螺纹/mm线性范围/mm最佳安装距离/mm最小被测面/mm分辨力/μm5M8×110.515111M14×1.54235425M16×1.58470850M30×2251210010电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大——电涡流探雷器第三节电涡流传感器的测量转换电路一种为调幅（AM）式电路，另一种为调频电路（PM）。AM：用低频信号去调制高频载波的振幅，使其振幅按低频调制信号的规律而变化。PM：用低频信号去调制高频载波的频率，使其频率按低频调制信号的规律而变化。其幅度虽然也有变化，必须经过双向限幅器，才能变为等幅波，后级电路可以用“鉴频器”来鉴别载波的频率变化，重新得到所包含的低频信号。也可以接到单片机的计数端，由单片机计算出被测量。回目录一、调幅（AM）式电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz~2MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈两端电压的衰减，输出电压Uo反映了金属体与电涡流线圈的间距。部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？定频调幅式电路的幅频曲线4根曲线与f0的交点决定调幅电路的输出电压0－探头与被测物间距很远时1－非磁性金属、间距较大时2－非磁性金属、间距较小时（Q值降低）3－磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）二、调频（FM）式电路当电涡流线圈与被测体的距离x变小时，电涡流线圈的电感量L也随之变小（非铁质），同时引起LC振荡器的输出电压及频率变高。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用“鉴频器”，可以将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初始电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，（1pF＝10-12F）求：探头中的振荡器的初始频率f0。（一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）012πfLC解：-3-121=560kHz2π0.81010010f鉴频器特性曲线设鉴频器电路的初始频率f0=1MHz，该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝质金属板靠近时，输出电压如何变化？第四节电涡流传感器的应用一、位移测量电涡流位移传感器的输出为模拟量，例如：0~5V。当金属物体接近探头的感应面时，金属表面吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度衰减或频率变化，单片机根据ΔUo或Δf，可以计算出与被检测物体的距离、振动频率等参数。电涡流位移传感器属于非接触测量器件，工作时不受灰尘、油污等因素的影响。回目录位移传感器的分类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。数显位移测量仪探头电涡流位移传感器用于轴向位移的监测1—旋转设备（汽轮机）2—主轴3—联轴器4—电涡流探头5—夹紧螺母6—发电机7—基座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，从而达到线性化和曲线拟合的目的。电涡流位移传感器的静态位移标定设备1—探头夹具2—电涡流探头3—标准圆片状试件4—千分尺测杆5—千分尺套筒6—套筒定螺钉7—千分尺8—底座9—水平调节垫脚电涡流位移传感器的标定在标定区域里，共设置多个测量点。首先调节千分尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，使探头与试件刚好接触，计算机测得探头绝对零位的输出电压。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，每隔设定的位移（例如0.8mm），测量电涡流传感器的输出电压。电涡流位移传感器的标定过程示意图1—正程数据（黑点☻）2—正程折线（细实线）3—回程数据（空心圆圈☺）4—回程折线（虚线）5—计算机拟合曲线（粗实线）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电涡流位移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，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。在用作定量测量时，必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。偏心和振动检测电涡流探头通过测量间隙来测量径向跳动电涡流探头测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个电涡流传感器，但工作频率必须错开。交变磁场测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度导向辊测量尺寸、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，电涡流越小电涡流探头测量注塑机开合模的间隙间距电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线1、2、3的量程和线性范围各为多少mm？二、振动测量检波后，得到正半周，低通滤波器滤除载波后，得到被测振动的各项参数：振幅、周期、频率、失真等。用电涡流调幅法测量简谐振动时，输出为典型的调幅波形检波二极管仅让正半周信号通过振动测量a）径向振动测量b）长轴多线圈测量c）叶片振动测量1－电涡流线圈2－被测物调频法测量振动的波形振动测量汽轮机叶片参数的检测测量悬臂梁的振幅及频率叶片共振法振动测量波形汽轮机叶片的激振测量示意图可以用激振小锤敲击叶片根部，利用李萨如（李沙茹）图形法测量汽轮机叶片的共振频率。而现在更多地利用计算机直接计算出振动信号的多项参数。李萨如（JulesAntoineLissajous）图形振动传感器的输出接到示波器的Y轴上，信号发生器的输出接到示波器的X轴上，示波器的光点的运动轨迹就是李萨如图形。如果两个信号的频率相同，光点的轨迹为一个椭圆。整数倍比例时,光点的轨迹见2:1、3:1、3:2等图形,李萨如图形与两个信号的相位差有关。2:1和4:3及8:5时李萨如图形的动画演示振幅、周期、频率的计算叶片振动的周期T为多少ms，频率f为多少Hz？叶片振动的幅度A为多少mm？A三、转速测量若转轴上开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10T转速传感器与齿轮的相对位置齿轮转速测量的计算例：设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求：该齿轮的转速n。解：n=60f/z=60×120÷48=7200÷48=150r/min1－电涡流线圈2－被测物电动机转速测量四、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。镀层厚度测量示意图1－电涡流测厚仪2－金属镀层3－塑料工件电涡流涂层厚度测量仪原理塑料表面的金属镀层越厚，电涡流就越大。测量绝缘层厚度测量绝缘层厚度与测量金属镀层的原理是相反的。绝缘层越厚，探头与金属板之间的距离就越大，电涡流就越小。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