第五章電渦流式傳感器

第五章電渦流式傳感器第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五電渦流式傳感器是基于電渦流效應(yīng)原理制成的傳感器。1.工作原理

金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流就像水中的漩渦一樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。如圖3-35.a)

b)圖3-35渦流式傳感器基本原理圖第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五一個(gè)通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場H1，當(dāng)被測金屬置于該磁場范圍內(nèi)，金屬導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生渦流I2，渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場H2，

H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化

。

線圈與金屬導(dǎo)體之間存在磁性聯(lián)系。

第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五渦流效應(yīng)的特性：由于渦流效應(yīng)在金屬導(dǎo)體內(nèi)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)。電渦流具有集膚效應(yīng)，它與激勵(lì)源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。頻率越高，電渦流的滲透深度就越淺，集膚效應(yīng)就越嚴(yán)重。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五由于存在集膚效應(yīng)，電渦流方法只能檢測導(dǎo)體表面的各種物理參量。改變頻率f，可控制檢測深度。激勵(lì)源頻率一般為100kHz~1MHz.為了使電渦流深入金屬導(dǎo)體深處，或?qū)嚯x較遠(yuǎn)的金屬體進(jìn)行檢測，可采用十幾千赫甚至幾百赫茲的低頻激勵(lì)頻率。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五a)

b)渦流式傳感器基本原理圖2.等效電路及其分析把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈，那么線圈與導(dǎo)體間的關(guān)系可用圖3-35b)所示的電路來表示。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電路方程組為

第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五

（3-41）

解此方程組，得傳感器工作時(shí)的等效阻抗為（3-42）等效電阻、等效電感分別為（3-43）（3-44）第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五線圈的品質(zhì)因數(shù)為

（3-45）可以看出，當(dāng)被測參數(shù)變化，既能引起線圈阻抗Z變化，也能引起線圈電感L和線圈品質(zhì)因數(shù)Q值變化。而這些參數(shù)的變化量的大小與導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ和線圈與導(dǎo)體的距離x以及線圈激勵(lì)電流的角頻率和導(dǎo)體的表面因素r等參數(shù)有關(guān)，都將通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生聯(lián)系?；蛘哒f，線圈組抗是這些參數(shù)的函數(shù)，可寫成第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Z=f（ρ、μ、x、r、ω）

控制其中大部分參數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。例如被測材料的情況不變，激勵(lì)電流的角頻率不變，則阻抗Z就成為距離x的單值函數(shù)。利用此原理便可制成渦流位移傳感器。第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五渦流位移傳感器原理：實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)距離x減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。線圈的感抗XL的變化比R的變化快，則渦流線圈的阻抗是減小的，線圈中的電流i1是增大的。反之，則i1減小。而且由于線圈的品質(zhì)因數(shù)Q（Q=XL/R=L/R)與等效電感成正比，與等效電阻成反比，所以當(dāng)電渦流增大時(shí)，Q下降很多。利用此原理可以制作多種電渦流傳感器，如位移測量、轉(zhuǎn)速測量、接近開關(guān)等。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五3、電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器主要是一個(gè)繞制在框架上的繞組,常用的是矩形截面的扁平繞組。導(dǎo)線選用電阻率小的材料，一般采用高強(qiáng)度漆包線，銀線或銀合金線。框架要求采用損耗小、電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料，一般選用聚四氟乙烯、高頻陶瓷等。以CZF型渦流傳感器為例，如圖3-40所示。第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-40CZF型渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用其耦合程度的變化作為測量值，無論是被測體的物理性質(zhì)，還是它的尺寸和形狀都與測量裝置的特性有關(guān)。作為傳感器的測量裝置的線圈僅為實(shí)際傳感器的一半，而另一半是被測體。CZF型傳感器的性能見表3-1。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五4、測量轉(zhuǎn)換電路電渦流探頭與被測物之間的互感量變化可以轉(zhuǎn)換為傳感器線圈阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)的變化。轉(zhuǎn)換電路的作用是把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。（1）電橋電路圖3-41電橋電路原理圖第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五電橋電路中線圈L1、L2為傳感器線圈，它們與電容C1、C2，電阻R1、R2組成電橋的四個(gè)臂。振蕩器提供電源，振蕩頻率根據(jù)需要選擇。當(dāng)線圈阻抗變化時(shí)，電橋失去平衡。不平衡輸出經(jīng)線性放大和檢波，得到輸出。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-42高頻調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路調(diào)幅式是以輸出高頻信號的幅度來反映電渦流探頭與被測導(dǎo)體之間的關(guān)系。圖3-42是高頻調(diào)幅式電路。（2）調(diào)幅式電路第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五石英晶體振蕩器通過耦合電阻R，向由探頭線圈和一個(gè)微調(diào)電容C0組成的并聯(lián)諧振回路提供一個(gè)穩(wěn)幅的高頻激勵(lì)信號，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。測量時(shí)，先調(diào)節(jié)C0，使LC0的諧振頻率等于石英晶體振蕩器的頻率f0，此時(shí)諧振回路的Q值和阻抗Z也最大，恒定電流Ii在LC0并聯(lián)諧振回路上的壓降U0也最大。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)被測體為非磁性金屬時(shí)，物體接近探頭時(shí)，由于渦流效應(yīng)，線圈的等效電感L減小，并引起線圈品質(zhì)因數(shù)Q值的下降，并聯(lián)諧振回路諧振頻率不再等于石英晶振的頻率而發(fā)生失諧狀態(tài)，使輸出電壓U0大大降低。當(dāng)被測體為磁性金屬時(shí)，探頭線圈的電感量略為增大，但由于被測磁性金屬體的磁滯損耗，使探頭線圈的Q值也大大下降，輸出電壓U0也降低。在以上兩種情況下，被測體與探頭的間距越小，輸出電壓就越低。經(jīng)高頻放大、檢波、低放之后，輸出的直流電壓反映了被測物的位移量。以上幾種情況見圖3-42-1第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-42-1定頻調(diào)幅式的諧振曲線0-探頭與被測物間距很遠(yuǎn)時(shí)1-非磁性金屬與探頭間距較小時(shí)2-非磁性金屬、間距與探頭線圈直徑相等時(shí)3-磁性金屬、間距較小時(shí)第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（3）調(diào)頻式電路所謂調(diào)頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調(diào)電容C0構(gòu)成LC振蕩器，以振蕩器的頻率f作為輸出量。此頻率可通過f/V轉(zhuǎn)換器（又稱鑒頻器）轉(zhuǎn)換成電壓，由表頭顯示。也可以直接將頻率信號（TTL）信號送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)定時(shí)器，測出頻率。如圖3-43.圖3-43調(diào)頻式測量轉(zhuǎn)換電路原理圖第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x改變時(shí)，電感量L隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率改變，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測量。用模擬儀表顯示，必須用鑒頻器，將頻率f轉(zhuǎn)換為電壓U。5、電渦流傳感器的應(yīng)用（1）位移測量

某些旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)對軸向位移的要求很高。當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，葉片在高壓蒸氣推動下高速旋轉(zhuǎn)，它的主軸承受巨大的軸向推力。若主軸的位移超過規(guī)定值時(shí)，葉片有可能與其他部件碰撞而斷裂。利用電渦流原理可以測量汽輪機(jī)主軸的軸向位移、電動機(jī)軸向竄動等。電渦流軸向位移監(jiān)測保護(hù)裝置電渦流探頭的安裝如圖4—44所示。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-44軸向位移的監(jiān)測1-旋轉(zhuǎn)設(shè)備（汽輪機(jī)）2-主軸3-軸聯(lián)器4-電渦流探頭5-發(fā)電機(jī)6-基座7-夾緊螺母第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五在設(shè)備停機(jī)時(shí)，將探頭安裝在與聯(lián)軸器端面2mm距離的機(jī)座上，調(diào)節(jié)二次儀表使示值為零。當(dāng)汽輪機(jī)啟動后，長期監(jiān)測其軸向位移量?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于軸向推力和軸承的磨損而使探頭與聯(lián)軸器端面的間隙減小，二次儀表的輸出電壓從零開始增大?？烧{(diào)整二次儀表面板上的報(bào)警設(shè)定值，使位移量達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，二次儀表發(fā)出報(bào)警信號或發(fā)出停機(jī)信號以避免事故發(fā)生。上述測量屬于動態(tài)測量。第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（2）振動測量

電渦流式傳感器可以無接觸地測量各種振動的振幅、頻譜分布等參數(shù)。在研究機(jī)器振動時(shí)，常常采用多個(gè)傳感器放置在機(jī)器不同部位進(jìn)行檢測，得到各個(gè)位置的振幅值和相位值，從而畫出振型圖，測量方法如圖4—45所示。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖4-45振幅測量（b）長軸多線圈測量（a）徑向振動測量第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（c）葉片振動測量第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（3）轉(zhuǎn)速測量若旋轉(zhuǎn)體上已開有一條或數(shù)條槽或做成齒狀，則可在旁邊安裝一個(gè)電渦流式傳感器，如圖4—46所示。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，傳感器周期地改變著與旋轉(zhuǎn)體表面之間的距離。于是它的輸出電壓也周期性地發(fā)生變化，此脈沖電壓信號經(jīng)放大、變換后，可以用頻率計(jì)測出其變化的重復(fù)頻率，從而測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f(單位為Hz)，轉(zhuǎn)速按下式求得：3-46第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-46轉(zhuǎn)速測量(a)帶凹槽轉(zhuǎn)軸(b)帶凸槽轉(zhuǎn)軸第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（4）安全檢測圖3-47電渦流式通道安全檢查門簡圖第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-48電渦流式通道安全檢查門電路原理框圖第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五安全門原理：L11、L12為發(fā)射線圈，L21、L22為接收線圈，密封在門框內(nèi)。晶振產(chǎn)生的音頻信號通過L11、L12在線圈周圍產(chǎn)生同頻率的交變磁場。因?yàn)長11、L12與L21、L22相互垂直，成電氣正交狀態(tài)，無磁路交鏈，U0=0。當(dāng)有金屬物體通過L11、L12形成的交變磁場H1時(shí)，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流。電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新的微弱磁場H2，但與L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感應(yīng)出電壓。計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小確定金屬物體的大小。

通常配置x光掃描儀進(jìn)行成像掃描。更嚴(yán)格的用弱能量的中子發(fā)射管和質(zhì)譜儀來檢測密封的箱包中的爆炸物等化學(xué)物品。

第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（5）表面探傷（7）探雷（4）鍍層厚度測量圖3-49輸油管表面裂紋檢測第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五

利用電渦流傳感器可以檢查金屬表面(已涂防銹漆)的裂紋以及焊接處的缺陷等。檢測過程中，傳感器與被測導(dǎo)體保持距離不變。由于缺陷將引起導(dǎo)體電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，使電渦流變小，從而引起輸出電壓突變。圖3-49是用電渦流探頭檢測高壓輸油管表面裂紋的示意圖。兩只導(dǎo)向輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)，油管在它們的驅(qū)動下，勻速地在楔形電渦流探頭下方轉(zhuǎn)動，并向前挪動。探頭對油管表面逐點(diǎn)掃描，得到圖3-50的輸出信號。當(dāng)油管存在裂紋時(shí)，電渦流所走的路程大為增加(見圖3-49b)，所以電渦流突然減小，輸出波形如圖3-50中的“尖峰”所示。該信號十分紊亂，用肉眼很難分辨出缺陷性質(zhì)。將該信號通過帶通濾波器，濾去表面不平整、抖動等因素造成的異常輸出后，得到圖3-50b中的兩個(gè)尖峰信號。調(diào)節(jié)電壓比較器的閾值電壓，得到真正的缺陷信號。第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-50探傷輸出信號第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-51金屬鍍層厚度檢測

（6）金屬鍍層厚度檢測第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五用電渦流原理可以測量塑料表面金屬鍍層的厚度，以及印刷電路版銅箔的厚度等。如圖3-51所示。由于存在集膚效應(yīng)，鍍層越簿，電渦流越小。根據(jù)輸出的電壓大小確定厚度。事先需用電渦流儀對標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層作出“厚度-輸出”電壓

的標(biāo)定曲線來對照。（7）探雷第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五（8）接近開關(guān)簡介接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)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(shí)，就可以發(fā)出“動作”信號，而不象機(jī)械式行程開關(guān)那樣，需要施加機(jī)械力。它給出的是開關(guān)信號(高電平或低電平)，多數(shù)接近開關(guān)具有較大的負(fù)載能力，能直接驅(qū)動中間繼電器。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它必須對正在接近的物體有很高的感辨能力。在生物界里，眼鏡蛇的尾部能感辨出人體發(fā)出的紅外線。而電渦流探頭就能感辨金屬導(dǎo)體的靠近。接近開關(guān)可以用于高速計(jì)數(shù)、測速，確定金屬物體的存在和位置，測量物位和液位，用于人體保護(hù)和防盜以及無觸點(diǎn)按鈕等。接近開關(guān)的定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和耐磨性、耐腐蝕性等也是一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五接近開關(guān)的外形如圖3-52和3-53所示，可根據(jù)不同的用途選擇不同的型號。圖中a）便于調(diào)整與被測物的間距，b）、c）可用于板材的檢測，d）、e）可用于線材的檢測。圖3-52接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式一a)圓柱形b)平面安裝型第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-53接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式二d)方形e)貫穿形第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五接近開關(guān)的特點(diǎn)

與機(jī)械開關(guān)相比，接近開關(guān)具有如下特點(diǎn)：①非接觸檢測，不影響被測物的運(yùn)行工況；②不產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷，工作壽命長；③響應(yīng)快，一般響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾毫秒或十幾毫秒；④采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強(qiáng)；⑤無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲，所以適用于要求防爆的場合(防爆型)；⑥輸出信號大，易于與計(jì)算機(jī)或可編程控制器(PLC)等接口；⑦體積小，安裝、調(diào)整方便。缺點(diǎn):觸點(diǎn)容量較小，輸出短路時(shí)易燒毀。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五接近開關(guān)的主要特性

1．額定動作距離在規(guī)定的條件下所測定到的接近開關(guān)的動作距離(mm)；2．工作距離接近開關(guān)在實(shí)際使用中被設(shè)定的安裝距離。在此距離內(nèi)，接近開關(guān)不應(yīng)受溫度變化、電源波動等外界干擾而產(chǎn)生誤動作；第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五

3．動作滯差指動作距離與復(fù)位距離之差的絕對值。滯差大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就強(qiáng)；滯差特性第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五4．重復(fù)定位精度(重復(fù)性)它表征多次測量動作距離。其數(shù)值的離散性的大小一般為動作距離的1％～5％。離散性越小，重復(fù)定位精度越高。5．動作頻率指每秒連續(xù)不斷地進(jìn)入接近開關(guān)的動作距離后又離開的被測物個(gè)數(shù)或次數(shù)。若接近開關(guān)的動作頻率太低而被測物又運(yùn)動得太快時(shí)，接近開關(guān)就來不及響應(yīng)物體的運(yùn)動狀態(tài)，有可能造成漏檢。第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五接近開關(guān)的規(guī)格及接線方式圖3-54所示是接近開關(guān)的一種典型的三線制接線方式。圖3-54三線制接近開關(guān)第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-55三線制接近開關(guān)之NPN、OC門常開輸出電路當(dāng)被測物體未靠近接近開關(guān)時(shí)，Ib=0，OC門截止，OUT端為高阻態(tài)(接入負(fù)載后為高電平)；當(dāng)被測體靠近到動作距離時(shí)，OC門的輸出端對地導(dǎo)通，OUT端對地為低電平。將中間繼電器跨接在+VCC與OUT端上時(shí)，KA就處于吸合(得電)狀態(tài)。第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-56三線制接近開關(guān)輸出波形第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五接近開關(guān)的應(yīng)用實(shí)例生產(chǎn)工件加工定位在機(jī)械加工自動生產(chǎn)線上，可以使用接近開關(guān)進(jìn)行工件的加工定位，圖3-57是它的示意圖。當(dāng)傳送機(jī)構(gòu)將待加工的金屬工件運(yùn)送到靠近“減速”接近開關(guān)的位置時(shí)，該接近開關(guān)發(fā)出“減速”信號，傳送機(jī)構(gòu)減速，以提高定位精度。當(dāng)金屬工件到達(dá)“定位”接近開關(guān)面前時(shí)，定位接近開關(guān)發(fā)出“動作”信號，使傳送機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。緊接著，加工刀具對工件進(jìn)行機(jī)械加工。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-57工件的加工定位1-機(jī)床2-刀具3-工件4-加工位置5-減速接近開關(guān)6-定位接近開關(guān)7-傳送機(jī)構(gòu)8-計(jì)數(shù)器及位置控制器第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-58工件的加工定位的感辨頭及調(diào)幅式轉(zhuǎn)換電路第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五工件定位感辨頭的內(nèi)部工作原理：當(dāng)金屬體接近感辨頭時(shí)，隨著金屬表面電渦流的增大，電渦流線圈的Q值越來越低，因?yàn)檎袷幤鞯哪芰勘唤饘袤w所吸收，所以其輸出電壓U01轉(zhuǎn)來越低，甚至停振，使U01=0。比較器將U01與基準(zhǔn)電壓UR作比較。當(dāng)U01<UR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，報(bào)警器報(bào)警（閃亮），執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作（停機(jī)）。在該機(jī)構(gòu)中，還可將“減速”接近開關(guān)的信號接到計(jì)數(shù)器輸入端。當(dāng)傳送帶上的每一個(gè)工件從該開關(guān)經(jīng)過時(shí)，接近開關(guān)動作一次，輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器加1。計(jì)數(shù)時(shí)涉及抖動導(dǎo)致的重復(fù)讀數(shù)的問題，由于接近開關(guān)的滯差特性而解決這一問題（如圖3-59所示）。第五十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圖3-59工件