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1、,3.4 电涡流式传感器,当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内引起感应电流，此电流在导体内闭合,称为涡流。,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。,涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i 时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、
2、激励电流角频率等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,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。,上页图是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流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，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到,干净、高效的 电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,电磁炉
3、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。,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器3.4.2 低频透射式涡流传感器3.4.3 涡流式传感器的应用,高频反射式,高频(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离x、线圈尺寸r、金属板的电阻率、磁导率、激励电流is，及频率f等有关.Z=f（is、f、r、x）,a.检测深度与激励源频率有何关系？,b.如果控制上式中的is、f、r不
4、变，电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？,电涡流探头结构,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？,结论：金属导体上形成的涡流有一定的范围，当线圈与导体间的距离不变时，电涡流密度随着线圈外径的大小而变化。为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以
5、上，灵敏度才不受影响。涡流强度随着线圈与导体间距离x的增大而迅速减小，由此可知，涡流强度与距离x呈非线性关系。为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使x/R1，一般取x/R0.050.15。金属导体内产生的涡流由于趋肤效应，电涡流不仅沿径向分布不均匀，而且贯穿金属导体的厚度有限。贯穿深度与励磁电流的频率成反比关系。激励源频率一般设在100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。(4)多种用途：如果控制x、i、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。,发射线圈L1和接收线圈L2分别置于被测金属板材料M的上、下方。由于
6、低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料M,使线圈L2产生感应电动势e。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e减少，当金属板材料M越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e越小。因此，e的大小与M的厚度及材料的性质有关，试验表明，e随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e变化即可测量其厚度。,低频透射式,金属板厚度越大，涡流损耗越大，E越小。E的大小间接反映金属板厚度。线圈L2的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即：式中，为被测金属板厚度；t 为贯穿深度，它与 成正比，其中
7、为金属板的电阻率，f 为交变电磁场的频率。在测量较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料，则应选用较高的频率（如2kHz）。,高频反射式 低频透射式,测量电路之定频测距电路,石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）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（例如两者之间的距离等参数）。,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？为什么？,测量电路之调频测距电路,当电涡流线圈与被测体的距
8、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。,3.4.3 涡流式传感器的应用,1位移测量,电涡流传感器可以测量各种形状金属零件的动态位移，测量范围可以为015m,分辨率为0.05m；或是0500mm，分辨率可达0.1%。这种传感器可用于测量汽轮机主轴的轴向窜动、金属件的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。,液位监控系统,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。,电涡流位移传感器的应用,电涡
9、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、温度补补偿等措施。,位移传感器的分类,2 振幅测量,(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,偏心和振动检测,通过间隙测量径向跳动,测量弯曲、
10、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。,3厚度测量,为克服金属板移动过程中上下波动及带材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器2。由图可知，板厚dD（x1+x2）。工作时，两个传感器分别测得x1和x2。板厚不变时，(x1+x2)为常值；板厚改变时，代表板厚偏差的(x1+x2)所反映的输出电压发生变化。测量不同厚度的板材时，可通过调节距离D来改变板厚设定值，并使偏差指示为零。这时，被测板厚即板厚设定值与偏差指示值的代数和。,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪,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
11、隙越大，电涡流越小,测量注塑机开合模的间隙,间距,4.温度测量,在较小的温度范围内，导体的电阻率与温度的关系为,式中 1、0分别为温度t1与t0时的电阻率；a在给定温度范围内的电阻温度系数。,若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。上述原理可用来测量液体、气体介质温度或金属材料的表面温度，适合于低温到常温的测量。它的优点是：(1)不受金属表面涂料、油、水等介质的影响；(2)可实现非接触测量；(3)反应快。目前已制成热惯性时间常数仅1ms的电涡流温度计。,5转速测量,f频率值(Hz)；n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。
12、,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,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。,6.涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数(x,)的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号,在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。,用涡流探伤时的测量信号,手持式裂纹测量仪,油管探伤,7、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。,用电涡流测振仪测量某机器主轴轴向振动，已知传感器灵敏度为20mV/mm。最大线性范围5mm。现将传感器安装在主轴右侧如图(a），使用高速记录仪记录下来的振动波形如图（b）。问：1.传感器与被测金属的安装距离l为多少mm是可得到较好的测量效果？为什么？2.轴向振幅最大值A为多少？3.主轴振动基频是多少？,
