《電渦流傳感器》PPT課件-PPT課件

1、第四章 電渦流傳感器 本章學(xué)習(xí)電渦流傳感器的原理及應(yīng)用，并介紹接近開關(guān)的原理、結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)及應(yīng)用。2022/7/1922022/7/193 當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x 減小時，電渦流線圈的等效電感L 減小，等效電阻R 增大。感抗XL 的變化比R 的變化大得多，流過電渦流線圈的電流i1增大。 第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理 電渦流效應(yīng)：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流(電渦流)的現(xiàn)象。 電渦流式傳感器原理圖 式中：r -線圈與被測導(dǎo)體的尺寸因子。 上圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈導(dǎo)體

2、系統(tǒng)。當(dāng)傳感器線圈通以交變電流 時，由于電流的變化，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場 ，使置于此磁場中的被測導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電渦流 ，電渦流 又產(chǎn)生新的交變磁場 。 與 方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致傳感器線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，即線圈的等效阻抗發(fā)生變化。這些變化與被測導(dǎo)體的電阻率 、磁導(dǎo)率 以及幾何形狀有關(guān)，也與線圈幾何參數(shù)、激磁電流頻率 有關(guān)，還與線圈與被測導(dǎo)體間的距離 有關(guān)。因此可寫為：電渦流式傳感器簡化模型 電渦流式傳感器等效電路圖 f -為線圈激磁電流的頻率；-為金屬導(dǎo)體的電阻率；r-為金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。 模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流

3、僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得： 集膚效應(yīng)：當(dāng)高頻（100kHz左右）信號源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L1時，將產(chǎn)生高頻磁場H1。如被測導(dǎo)體置于該交變磁場范圍之內(nèi)時，被測導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)（也稱趨膚效應(yīng)）。 集膚效應(yīng)與激勵源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 等有關(guān)。頻率f 越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。 根據(jù)簡化模型，可將金屬導(dǎo)體形象地看做一個短路線圈，它與傳感器線圈之間存在耦合關(guān)系，它們之間的等效電路圖如上。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其

4、表達(dá)式為： 根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程： -線圈激磁電流角頻率R1-線圈電阻L1-線圈電感L2-短路環(huán)等效電感R2-短路環(huán)等效電阻M -互感系數(shù) 等效阻抗Z的表達(dá)式為： 式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 Leq線圈受電渦流影響后的等效電感 電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z 的函數(shù)表達(dá)式為： Z =R +jL=f（i1, f, , , r, x, ）等效阻抗分析等效阻抗與非電量測量的應(yīng)用 檢測深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測深度。激勵源頻率一般設(shè)定在100kHz-1MHz。頻率越低，檢測深度越深。 間距x的測量：如果控制

5、上式中的i1、f、r 不變，電渦流線圈的阻抗Z 就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸地測量位移的傳感器。 多種用途：如果控制x、i1、f 不變，就可以用來檢測與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號、表面硬度等參數(shù)。1、電渦流形成范圍徑向形成范圍 線圈導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線下圖所示（圖中J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度）。由圖可知： 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5倍

6、范圍內(nèi)，且分布不均勻。 電渦流密度在ri=0處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。 可以用一個平均半徑為 的短路環(huán) 來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。電渦流效應(yīng)的基本特性 電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線 2、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 理論分析和實驗都已證明，當(dāng)x改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離x的變化而變化。根據(jù)線圈導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用， 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為： 式中：I1線圈激勵電流； I2金屬導(dǎo)體中等效電流； x 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras線圈外徑。 電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線 根據(jù)上式作出的歸一化曲線如圖所示。 以上分析表明： 電

7、渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。 當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。3、電渦流的軸向貫穿深度 所謂貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的1/e處的表面厚度。 由于金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，電磁場不能穿過導(dǎo)體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強(qiáng)度是隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指數(shù)衰減分布規(guī)律可用下式表示： 式中：d金屬導(dǎo)體中某一點與表面的距離； Jd沿H1 軸向d處的電渦流密度； J0金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，(電渦流密度最大值) h電渦流軸

8、向貫穿的深度,（趨膚深度）。電渦流密度軸向分布曲線 如圖所示為電渦流密度軸向分布曲線，可知，電渦流密度主要分布在表面附近。 由前面分析可知，被測體電阻率愈大，相對導(dǎo)磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿深度h 愈大。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵。 交變磁場第二節(jié) 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性1、電渦流探頭結(jié)構(gòu)電渦流探頭外形1電渦流線圈 2探頭殼體 3殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋 4印制線路板 5夾持螺母 6電源指示燈7閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭CZF-1系列傳感器的性能分析上表可得出結(jié)論： 探頭直徑越大，測量范圍越大、分辨力越差、靈敏度越低。2、被測材料、形狀和體積

9、對靈敏度的影響電阻率、磁導(dǎo)率：非磁性材料，電阻率低，靈敏度高； 磁性材料，除電阻率外，還受磁導(dǎo)率的影響。形狀、體積大?。罕P狀，要求被測對象直徑2倍探頭線圈直徑； 柱狀，要求被測圓柱直徑4倍探頭線圈直徑。大直徑電渦流探雷器2022/7/1921電渦流的應(yīng)用干凈、高效的電磁爐 高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。線圈電磁爐的工作原理一、調(diào)幅（AM）式電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz-1MHz)用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電

10、壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響(例如兩者之間的距離等參數(shù))。第三節(jié) 測量轉(zhuǎn)換電路部分常用材料對振蕩器振幅的衰減系數(shù) 人的手、泥土或裝滿水的玻璃杯能對振蕩器的振幅產(chǎn)生明顯的衰減嗎？為什么？二、調(diào)頻（FM）式電路 當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x 改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC 振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機(jī)測量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率: 設(shè)電渦流線圈的電感量L=0.8mH，微調(diào)電容C0=200pF，求振蕩器的頻率f 。鑒輸出電壓與輸入頻率成正比鑒頻器特性使用鑒頻器可以將f 轉(zhuǎn)換為電壓Uo 設(shè)電

11、路參數(shù)如上圖，計算電渦流線圈未接近金屬時的鑒頻器輸出電壓Uo；若電渦流線圈靠近金屬后，電渦流探頭的輸出頻率f上升為500kHz，f為多少？輸出電壓Uo又為多少？ 一、位移測量 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子器件。接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可地計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。第四節(jié) 電渦流傳感器的應(yīng)用1、位移測量儀位移測量：偏心、

12、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。電流型電渦流位移傳感器V系列齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。V系列電渦流位移傳感器性能一覽表V系列電渦流位移傳感器機(jī)械圖 該型號位移傳感器同時具備兩種動作輸出狀態(tài)，用戶可選擇從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變和從低電壓向高電壓轉(zhuǎn)變兩種方式，分別稱為NPN和PNP輸出模式，俗稱為常開輸出或常閉輸出模式。 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面因素、距離等。只要固定其他因素就可以用電渦流傳感器來測量剩下的一個因素。因此電渦流傳感

13、器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。但也同時帶來許多不確定因素，一個或幾個因素的微小變化就足以影響測量結(jié)果。所以電渦流傳感器多用于定性測量。位移傳感器的分類2、偏心和振動檢測通過測量間隙來測量徑向跳動3、測量彎曲、變形對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動測量，須使用多個傳感器。測量冷軋板厚度4、金屬薄膜、板材厚度的測量A、 低頻透射式渦流厚度傳感器 B、 高頻反射式渦流厚度傳感器 5、測量尺寸、公差及零件識別測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移測量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小測量注塑機(jī)開合模的間隙位移的標(biāo)定方法 使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對照表，存入計算機(jī)，從而達(dá)到線性化的目的。電

14、渦流位移傳感器的距離與輸出電壓特性曲線1.量程為10mm 2.量程為16mm 3.量程為20mm二、振動測量用電渦流探頭、調(diào)幅法測量簡諧振動時，探頭的輸出波形。調(diào)頻法測量振動的波形汽輪機(jī)葉片測試測量懸臂梁的振幅及頻率三、轉(zhuǎn)速測量 若轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f(單位為Hz)，則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)的計算公式為:各種測量轉(zhuǎn)速的傳感器及其與齒輪的相對位置齒輪轉(zhuǎn)速測量例:下圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測得頻率f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n。電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量四、鍍層厚度測量 由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測量前，可先用電渦流測厚儀對標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸

15、出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測量時對照。電渦流涂層厚度儀原理測量金屬鍍層或絕緣層厚度的計算方法有何區(qū)別？五、電渦流式通道安全檢查門 安檢門的內(nèi)部設(shè)置有許多發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應(yīng)出電壓。計算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。當(dāng)有金屬物體穿越安檢門時報警安檢門演示油管探傷六、電渦流表面探傷手持式裂紋測量儀 滾子渦流探傷機(jī)是由計算機(jī)控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設(shè)備，可探出深30m的表面微小裂紋。手提式探傷儀外

16、形掌上型電渦流探傷儀用掌上型電渦流探傷儀檢測飛機(jī)裂紋臺式電渦流探傷儀花瓣阻抗圖第五節(jié) 接近開關(guān)簡介 接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號（常開閉合；常閉斷開）。 接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。接近開關(guān)外形一、常用的接近開關(guān)分類 常用的接近開關(guān)有電渦流式(俗稱電感接近開關(guān))、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。二、接近開關(guān)的特點 優(yōu)點是：接近開關(guān)與被測物不接觸、不會產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點、無火花、無噪聲、防潮、防

17、塵、防爆性能較好、輸出信號負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便. 缺點是：觸點容量較小、輸出短路時易燒毀。三、接近開關(guān)的主要性能指標(biāo)額定動作距離：額定條件下 工作距離：設(shè)定值動作滯差：動作距離-復(fù)位距離 動作頻率：響應(yīng)時間重復(fù)定位精度：重復(fù)測量間距四、電渦流接近開關(guān)(電感接近開關(guān))的工作原理 電渦流式接近開關(guān)俗稱電感接近開關(guān)，屬于一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。 利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種

18、接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。原理框圖1.動作(檢測)距離: 動作距離是指檢測體按一定方式移動時，從基準(zhǔn)位置(接近開關(guān)的感應(yīng)表面)到開關(guān)動作時測得的基準(zhǔn)位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關(guān)動作距離的標(biāo)稱值。 2.設(shè)定距離：指接近開關(guān)在實際工作中的整定距離，一般為額定動作距離的0.8倍。被測物與接近開關(guān)之間的安裝距離一般等于額定動作距離，以保證工作可靠。安裝后還須通過調(diào)試，然后緊固。3.復(fù)位距離：接近開關(guān)動作后，又再次復(fù)位時的與被測物的距離，它略大于動作距離。4.回差值: 動作距離與復(fù)位距離之間的絕對值?；夭钪翟酱螅瑢ν饨绲母蓴_以及被測物的抖動等的抗干擾能力就越

19、強(qiáng)。五、接近開關(guān)的術(shù)語5、標(biāo)準(zhǔn)檢測體：可與現(xiàn)場被檢金屬作比較的標(biāo)準(zhǔn)金屬檢測體。標(biāo)準(zhǔn)檢測體通常為正方形的A3鋼，厚度為1mm，所采用的邊長是接近開關(guān)檢測面直徑的2.5倍。6、接近開關(guān)的安裝方式：分齊平式和非齊平式。齊平式(又稱埋入型)的接近開關(guān)表面可與被安裝的金屬物件形成同一表面，不易被碰壞，但靈敏度較低；非齊平式(非埋入安裝型)的接近開關(guān)則需要把感應(yīng)頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。7、響應(yīng)頻率f：按規(guī)定，在1秒的時間間隔內(nèi)，接近開關(guān)動作循環(huán)的最大次數(shù)，重復(fù)頻率大于該值時，接近開關(guān)無反應(yīng)。8、響應(yīng)時間t：接近開關(guān)檢測到物體時刻到接近開關(guān)出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時間之差?？捎霉綋Q算： t =1/f9、輸出狀態(tài)：常開/常閉型接近開關(guān)。 對常開型接近開關(guān)：當(dāng)未檢測到物體時，接近開關(guān)內(nèi)部的輸出三極管截止，負(fù)載不工作(失電)；當(dāng)檢測到物體時，內(nèi)部的輸出級三極管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。對常閉型接近開關(guān)：當(dāng)未檢測到物體時，三極管反而處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載得電工作；反之則負(fù)載失電。10、輸出形式：常用的輸出方式 NPN二線，NPN三線，NPN四線，PNP二線，PNP三線， PNP四線，DC二線，AC二線，AC五線（帶繼電器）等。 讀者可查閱以下有關(guān)資料。11、導(dǎo)通壓降