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1、第四章 电涡流传感器,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。,第一节 电涡流传感器工作原理,电涡流效应：根据法拉第电磁感应原理，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，导体内将产生呈涡旋状的感应电流(电涡流)的现象。,电涡流式传感器原理图,式中：r-线圈与被测导体的尺寸因子。,上图为电涡流式传感器的原理图，该图由传感器线圈和被测导体组成线圈导体系统。当传感器线圈通以交变电流 时，由于电流的变化，在线圈周围产生交变磁场，使置于此磁场中的被测导体内产生感应电涡流，电涡
2、流 又产生新的交变磁场。与 方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致传感器线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化，即线圈的等效阻抗发生变化。这些变化与被测导体的电阻率、磁导率 以及几何形状有关，也与线圈几何参数、激磁电流频率 有关，还与线圈与被测导体间的距离 有关。因此可写为：,电涡流式传感器简化模型,电涡流式传感器等效电路图,f-为线圈激磁电流的频率；-为金属导体的电阻率；r-为金属导体的磁导率。,模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：,集肤效应：当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近
3、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）。,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。,根据简化模型，可将金属导体形象地看做一个短路线圈，它与传感器线圈之间存在耦合关系，它们之间的等效电路图如上。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为：,根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：,-线圈激磁电流角频率R1-线圈电阻L1-线圈电感L2-短路环等效电感R2-短路环
4、等效电阻M-互感系数,等效阻抗Z的表达式为：,式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻,Leq线圈受电涡流影响后的等效电感,电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z 的函数表达式为：Z=R+jL=f（i1,f,r,x,）,等效阻抗分析,等效阻抗与非电量测量的应用,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100kHz-1MHz。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
5、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。,1、电涡流形成范围径向形成范围 线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线下图所示（图中J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度）。由图可知：电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。电涡流密度在ri=0处为零。电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为 的短路环 来集中表示分散的电涡流（图
6、中阴影部分）。,电涡流效应的基本特性,电涡流密度J与半径r的关系曲线,2、电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为：,式中：I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x 线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。,电涡流强度与距离归一化曲线,根据上式作出的归一化曲线如图所示。以上分析表明：电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高
7、的灵敏度。,3、电涡流的轴向贯穿深度 所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：,式中：d金属导体中某一点与表面的距离；Jd沿H1 轴向d处的电涡流密度；J0金属导体表面电涡流密度，(电涡流密度最大值)h电涡流轴向贯穿的深度,（趋肤深度）。,电涡流密度轴向分布曲线,如图所示为电涡流密度轴向分布曲线，可知，电涡流密度主要分布在表面附近。由前面分析可知，被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传
8、感器线圈的激磁电流频率愈低，则电涡流贯穿深度h 愈大。故透射式电涡流传感器一般都采用低频激励。,交变磁场,第二节 电涡流传感器结构及特性,1、电涡流探头结构,电涡流探头外形,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,分析上表可得出结论：探头直径越大，测量范围越大、分辨力越差、灵敏度越低。,2、被测材料、形状和体积对灵敏度的影响,电阻率、磁导率：非磁性材料，电阻率低，灵敏度高；磁性材料，除电阻率外，还受磁导率的影响。,形状、体积大小：盘状，要求被测对象直径2倍探头线圈直径；柱状，
9、要求被测圆柱直径4倍探头线圈直径。,大直径电涡流探雷器,电涡流的应用,干净、高效的电磁炉,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。,线圈,电磁炉的工作原理,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-1MHz)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)。,第三节 测量转换电路,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
10、的衰减吗？为什么？,二、调频（FM）式电路,当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。,并联谐振回路的谐振频率:,设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f。,鉴输出电压与输入频率成正比,鉴频器特性,使用鉴频器可以将f 转换为电压Uo,设电路参数如上图，计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电压Uo；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头的输出频率f上升为500kHz，f为多少？输出电压Uo又为多少？,一、位
11、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。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。,第四节 电涡流传感器的应用,1、位移测量仪,位移测量：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。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。,电流型电涡流位移传感器,V系列齐平式传感
12、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性能一览表,V系列电涡流位移传感器机械图,该型号位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。,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。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。,位移传感器的分类,2、偏心
13、和振动检测,通过测量间隙来测量径向跳动,3、测量弯曲、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。,测量冷轧板厚度,4、金属薄膜、板材厚度的测量,A、低频透射式涡流厚度传感器,B、高频反射式涡流厚度传感器,5、测量尺寸、公差及零件识别,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,测量注塑机开合模的间隙,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，从而达到线性化的目的。,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,二、振动测量,用电涡流探头、调
14、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,汽轮机叶片测试,测量悬臂梁的振幅及频率,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:,各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置,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。,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。,电涡流涂层厚度仪原理,测量金属镀层或绝缘层厚度的计算方法有何区别？,五
15、、电涡流式通道安全检查门,安检门的内部设置有许多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。,安检门演示,油管探伤,六、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深30m的表面微小裂纹。,手提式探伤仪外形,掌上型电涡流探伤仪,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,台式电涡流探伤仪,花瓣阻抗图,第五节 接近开关简介,接近开关又
16、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（常开闭合；常闭断开）。,接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。,接近开关外形,一、常用的接近开关分类,常用的接近开关有电涡流式(俗称电感接近开关)、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等。,二、接近开关的特点,优点是：接近开关与被测物不接触、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.缺点是：触点容量较小、输出短路时易烧毁。,
17、三、接近开关的主要性能指标,额定动作距离：额定条件下 工作距离：设定值动作滞差：动作距离-复位距离 动作频率：响应时间重复定位精度：重复测量间距,四、电涡流接近开关(电感接近开关)的工作原理,电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。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。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。,原理框图,1.动作(检测)距离:动作距离是指检测
18、体按一定方式移动时，从基准位置(接近开关的感应表面)到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。2.设定距离：指接近开关在实际工作中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。被测物与接近开关之间的安装距离一般等于额定动作距离，以保证工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。4.回差值:动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。,五、接近开关的术语,5、标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形
19、的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。6、接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式(又称埋入型)的接近开关表面可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；非齐平式(非埋入安装型)的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。7、响应频率f：按规定，在1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。8、响应时间t：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算：t=1/f,9、输出状态：常开/常闭型接近开关。对常开型接近开关：当未检测到物体时，接近开关内部的输出三极管截止，负
20、载不工作(失电)；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。对常闭型接近开关：当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之则负载失电。10、输出形式：常用的输出方式 NPN二线，NPN三线，NPN四线，PNP二线，PNP三线，PNP四线，DC二线，AC二线，AC五线（带继电器）等。读者可查阅以下有关资料。11、导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。一般情况下，导通压降约为0.3V。,接近开关的检测距离与回差,不同材料的被测物对电涡流接近开关动作距离的影响,电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，
21、被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。,齐平式安装,非齐平式安装,响应频率及响应时间示意图,输出形式,负载,负载,负载,负载,负载,负载,负载,负载,0.3V,导通压降,以NPN、常开型为例来说明 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。,接近开关的接线方法举例,请按接线图将各元件正确地连接起来。,接近开关使用注意事项,1、请勿将电感接近开关置于0.02T以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。2、为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。3、为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括被检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附等。4、DC二线制接近开关具有0.51mA的静态泄漏电流，在一些对泄漏电流要求较高的场合下，可改用DC三线制接近开关。5、直流型接近开关使用电感性负载时，请务必在负载两端并接续流二极管，以免损坏接近开关的输出级。,本章作业第3、第6、第8题,
