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1、第四章 电涡流式传感器,第四章 电涡流式传感器,主要教学内容：,电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的结构及特性电涡流式传感器的测量转换电路电涡流式传感器的应用接近开关简介,主要教学内容：电涡流式传感器的工作原理,电涡流传感器是建立在电涡流效应上的一种传感器电涡流效应：根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象 称为电涡流效应。,4.1 电涡流式传感器的工作原理,4.1 电涡流式传感器的工作原理,涡流的大小与金属体的电阻率、磁导率、金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁
2、电流频率f等参数有关,涡流的大小与金属体的电阻率、磁导率、金属板的厚度以及产生,高频反射式电涡流传感器,电涡流,H1,H2,由于H2的反作用，使通电线圈中的有效阻抗发生变化，该线圈的阻抗的变化反映了被测体的涡流效应。,i1,100kHz1MHz,高频反射式电涡流传感器电涡流H1H2由于H2的反作用，使通,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，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,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,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。,集肤效应与激励源频率f
3、、工件的电导率、磁导率等有关。频率,电涡流传感器的等效阻抗为：,电涡流传感器的等效阻抗为：,等效电阻：,等效电感：,Z=R+jL=f（i1、f、r、x）,等效电阻：等效电感：Z=R+jL=f（i1、f、r,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100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。间距x的测量：如果控制上式中的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。多种用途：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
4、与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。,Z=R+jL=f（i1、f、r、x）,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,干净、高效的电磁炉,干净、高效的电磁炉,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。,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,电磁炉内部的励磁线圈,电磁炉内部的励磁线圈,低频透射式电涡流传感器,下降,有M：,越小,M越厚，,无M：,最大,发射线圈,接收线圈,1kHz左右,发射线圈接收线圈低频透射式电涡流传感器 下,低频透射电涡流式通道安全检查门,安检门的
5、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。,低频透射电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线,安检门演示,安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警,4.2 电涡流传感器结构及特性,电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头,交变磁场,4.2 电涡流传感器结构及特性 电涡流传感器的传感元件是,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
6、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,电涡流探头内部结构 1电涡流线圈 2探头壳体,CZF-1系列传感器的性能,分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？,探头的直径越大，测量范围越大，但分辨力越差，灵敏度降低。,CZF-1系列传感器的性能 分析上表请得出结论：探头的,为了充分利用电涡流效应，被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径应大于线圈直径的2倍之上，否则将使灵敏度降低被测体为轴状圆柱体的圆弧表面时，它的直径必须为线圈直径的4倍以上，才不影响测量结果。而且被测体的厚度必须在0.2mm以上，才不会影响测量。,为了充分利用电
7、涡流效应，被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直,大直径电涡流探雷器,大直径电涡流探雷器,4.3 电涡流式传感器的测量转换电路,一、调幅式（AM）电路二、调频式（FM）电路,4.3 电涡流式传感器的测量转换电路一、调幅式（AM）电路,一、调幅式（AM）电路（以输出信号的幅度来反映电涡流探头和被测金属导体之间的关系）,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。,一、调幅式（AM）电路（以输出信号的幅度来反映电涡流探头和,二、调频式（FM）电路,当
8、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。,二、调频式（FM）电路 当电涡流线圈与被测体的距离x,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,机械工业出版社,鉴频器特性 使用鉴频器可以将f 转换为电压Uo鉴,4.4 电涡流传感器的应用,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”，
9、它对正在接近的物体有很高的感辨能力,4.4 电涡流传感器的应用接近开关又称无触点行程开关。它,接近开关外形,接近开关外形,接近开关外形,接近开关外形,接近开关外形（续）,接近开关外形（续）,分类：常用的接近开关有电涡流式、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等。接近开关优点：与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；接近开关缺点：触点容量较小、输出短路时易烧毁。,分类：常用的接近开关有电涡流式、电容式、磁性干簧开关、霍尔式,电涡流接近开关,电涡流式接近开关俗称电
10、感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器，所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体,电涡流接近开关电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关,工作原理：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。,工作原理：它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体,接近开关的安装方式,齐平式安装,非齐平式安装,接近开关表面与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低,感应头露出一定高度，否则
11、将降低灵敏度,接近开关的安装方式齐平式安装非齐平式安装接近开关表面与被安装,接近开关的接线方法,OUT端与GND端的压降Uces约为0.3V，流过KA的电流IKA=（VCC-0.3）/RKA。若IKA大于KA的额定吸合电流，则KA能够可靠吸合。,三线制接近开关,NPN、OC门常开输出电路,接近开关的接线方法OUT端与GND端的压降Uces约为0.3,请按接线图将各元件正确地连接起来。,请按接线图将各元件正确地连接起来。,生产线工件的计数,生产线工件的计数,机械手的限位,机械手的限位,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
12、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。,交变磁场,一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出,位移测量仪,数显位移测量仪及探头,位移测量仪数显位移测量仪及探头,420mA电涡流位移传感器外形,420mA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。,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,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外形齐平式,偏心和振动检测,通过测量间隙来测量
13、径向跳动,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。,测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪,测量冷轧板厚度,由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度由于存在集,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,测量尺寸、公差及零件识别 通过测量间隙来测定 热膨胀,测量封口机工作间隙,间隙越大，电涡流越小,测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小,位移的标定方法,使用千分尺，逐一对照测量电路的
14、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。,位移的标定方法 使用千分尺，逐一对照测量电路的输出,电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线,1量程为10mm 2量程为16mm 3量程为20mm,电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线1量程为10mm,二、振动测量,汽轮机叶片测试,测量悬臂梁的振幅及频率,二、振动测量 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅及频率,用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形。,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,调频法测量振动的波形,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
15、为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为,三、转速测量 若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的,各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置,各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置,例:下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。,例:下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该,电动机转速测量,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。,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,电涡流镀层厚度仪,电涡流镀层厚度仪,检测原理：,载有交变电流的线圈产生交变磁场，金属物平面感应出电涡流，产生交变涡流
16、磁场，均在检测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。,（a）被测金属物上无缺陷：穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。,五、电涡流表面探伤,检测原理：载有交变电流的线圈产生交变磁场，金属物,（b）被测金属物上有缺陷：穿过检测线圈的两个线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。,（b）被测金属物上有缺陷：,电涡流表面探伤 检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤,油管探伤,传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变化。,电涡流表面探伤 检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤油管探,手持式裂纹测量仪,手提式探伤仪,手持式裂纹测量仪手提式探伤仪,掌上型电涡流探伤仪,台式电涡流探伤仪,掌上型电涡流探伤仪台式电涡流探伤仪,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,
