電感式3電渦流課件

1、電感式3電渦流PPT課件4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 4.3.1 工作原理工作原理 電感式3電渦流PPT課件 1I1H傳 感 器 激 勵 線 圈(a)(b)2H2I被 測 金 屬 導 體傳 感 器 激 勵 電 流電感式3電渦流PPT課件 傳感器線圈通以正弦交變電流傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時，時， 線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1， 使金屬導體產生感應電渦流使金屬導體產生感應電渦流 I2 ， I2 又產生新的交變磁場又產生新的交變磁場 H2 。 電感式3電渦流PPT課件 根據根據愣次愣次定律，定律，H2的作用將阻礙原的作用將阻礙原磁場磁場 H

2、1 的變化。的變化。 由于磁場由于磁場H2的作用，渦流要消耗一的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗等效阻抗發(fā)生變化。發(fā)生變化。電感式3電渦流PPT課件 由上可知，線圈阻抗的變化完全取由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。決于被測金屬導體的電渦流效應。 電渦流效應既與電渦流效應既與被測體被測體的的、以及以及幾何形狀有關，幾何形狀有關，電感式3電渦流PPT課件 還與還與激磁線圈激磁線圈的幾何參數(shù)、激磁線的幾何參數(shù)、激磁線圈中激磁電流頻率圈中激磁電流頻率 f 有關，同時還與激有關，同時還與激磁線圈與導體間的距離磁線圈與導體間的距離 x

3、 有關。有關。 傳感器線圈受電渦流影響時的等效傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗阻抗 Z 的函數(shù)關系式為的函數(shù)關系式為 ： 電感式3電渦流PPT課件 Z=F (, r, f, x) r 為為激磁線圈激磁線圈與與被測體被測體的尺寸因子。的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗 Z 就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。 電感式3電渦流PPT課件 通過與傳感器配用的測量電路測通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗出阻抗 Z 的變化量，即可實現(xiàn)對該參的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。數(shù)

4、的測量。 4.3.2 基本特性基本特性 電感式3電渦流PPT課件 電渦流式傳感器簡化模型 ras1xhrari(r)231 傳 感 器 線 圈 ；2 短 路 環(huán) ；3 被 測 金 屬 導 體電感式3電渦流PPT課件 在被測金屬導體上形成的電渦流可在被測金屬導體上形成的電渦流可等效為一個等效為一個短路環(huán)短路環(huán)， 即假設電渦流僅分布在環(huán)體之內。即假設電渦流僅分布在環(huán)體之內。 電感式3電渦流PPT課件 電渦流的電渦流的軸向貫穿深度軸向貫穿深度 h 貫穿深度是指把電渦流強度減小到貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的表面強度的 1/e （0.37）處的表面）處的表面厚度厚度。0rhf 電感式3電渦流

5、PPT課件 f 為線圈激磁電流的頻率。為線圈激磁電流的頻率。 電感式3電渦流PPT課件 電渦流式傳感器簡化模型 ras1xhrari(r)231 傳 感 器 線 圈 ；2 短 路 環(huán) ；3 被 測 金 屬 導 體電感式3電渦流PPT課件 電渦流的等效電路圖。電渦流的等效電路圖。 電感式3電渦流PPT課件 1UL1L212R1R2M2I1I1傳 感 器 線 圈 ； 2電 渦 流 短 路 環(huán)電感式3電渦流PPT課件 R2為電渦流短路環(huán)等效電阻為電渦流短路環(huán)等效電阻 221aiRrhnr 電感式3電渦流PPT課件 電渦流式傳感器簡化模型 ras1xhrari(r)231 傳 感 器 線 圈 ；2 短

6、 路 環(huán) ；3 被 測 金 屬 導 體電感式3電渦流PPT課件 根據根據基爾霍夫基爾霍夫第二定律第二定律 1 11 121122220R Ij L Ij MIUj MIR Ij L I電感式3電渦流PPT課件 1UL1L212R1R2M2I1I1傳 感 器 線 圈 ； 2電 渦 流 短 路 環(huán)電感式3電渦流PPT課件線圈激磁電流角頻率；線圈激磁電流角頻率； R1線圈電阻；線圈電阻；L1線圈電感；線圈電感；L2短路環(huán)等效電感；短路環(huán)等效電感； R2短路環(huán)等效電阻；短路環(huán)等效電阻；M互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)。 電感式3電渦流PPT課件等效阻抗等效阻抗 Z 為為 22221121222222212222e

7、qeqUMMZRRjLLIRLRLRj L 電感式3電渦流PPT課件 Req線圈受電渦流影響后的等效電阻線圈受電渦流影響后的等效電阻 221222222eqMRRRRL 電感式3電渦流PPT課件 線圈的等效品質因數(shù)線圈的等效品質因數(shù)Q值為值為 e qe qLQR電感式3電渦流PPT課件 4.3.3 電渦流形成范圍電渦流形成范圍 1. 電渦流的電渦流的徑向徑向形成范圍形成范圍 線圈與導體系統(tǒng)產生的線圈與導體系統(tǒng)產生的電渦流密度電渦流密度既是線圈與導體間距離既是線圈與導體間距離 x 的函數(shù)，又是的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向沿線圈半徑方向 r 的函數(shù)。的函數(shù)。電感式3電渦流PPT課件 當當 x 一定時

8、，電渦流密度一定時，電渦流密度 J 與半徑與半徑 r 的關系曲線如圖的關系曲線如圖4-25所示。所示。電感式3電渦流PPT課件 電渦流密度J與半徑r的關系曲線 1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11電渦流線圈；2等效短路環(huán)；3電渦流密度分布電感式3電渦流PPT課件 J0 為金屬導體表面電渦流密度，為金屬導體表面電渦流密度， 即電渦流密度最大值。即電渦流密度最大值。 Jr為半徑為半徑 r 處的金屬導體表面電渦處的金屬導體表面電渦流密度。流密度。 電感式3電渦流PPT課件 電渦流徑向形成范圍大約在傳感電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈

9、外徑器線圈外徑ras的的1.82.5倍范圍內，且分倍范圍內，且分布不均勻。布不均勻。 電感式3電渦流PPT課件 電渦流密度在電渦流密度在 ri=0 處為零。處為零。 電渦流的最大值在電渦流的最大值在r=ras附近的一附近的一個狹窄區(qū)域內。個狹窄區(qū)域內。 可以用一個平均半徑為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（圖的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。中陰影部分）。 2iaasasrrrr電感式3電渦流PPT課件 電渦流密度J與半徑r的關系曲線 1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11電渦流線圈；2等效短路環(huán)

10、；3電渦流密度分布電感式3電渦流PPT課件 2. 電渦流強度與距離的關系電渦流強度與距離的關系 當當 x 改變時，電渦流密度也發(fā)生變改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離化，即電渦流強度隨距離 x 的變化而變的變化而變化。化。電感式3電渦流PPT課件 金屬導體金屬導體表面表面的電渦流強度的電渦流強度 21221asxIIxr電感式3電渦流PPT課件I1線圈激勵電流；線圈激勵電流； I2金屬導體中等效電流；金屬導體中等效電流； x線圈到金屬導體表面距離；線圈到金屬導體表面距離； ras線圈外徑。線圈外徑。 電感式3電渦流PPT課件電渦流強度與距離歸一化曲線1.00.80.60.40.2

11、0123456I2 / I1x / ras電感式3電渦流PPT課件 電渦流強度與距離電渦流強度與距離 x 呈非線性關呈非線性關系，且隨著系，且隨著 x/ras 的增加而迅速減小。的增加而迅速減小。 當利用電渦流式傳感器測量位移當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在時，只有在 x/ras1(一般取一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。靈敏度。 電感式3電渦流PPT課件電渦流強度與距離歸一化曲線1.00.80.60.40.20123456I2 / I1x / ras電感式3電渦流PPT課件 3. 電渦流的電渦流的軸向貫穿深度軸向貫穿深度

12、 貫穿深度是指把電渦流強度減小到貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的表面強度的 1/e 處的表面厚度。處的表面厚度。 由于金屬導體的由于金屬導體的趨膚效應趨膚效應，電磁場，電磁場不能穿過導體的無限厚度，僅作用于表不能穿過導體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內。面薄層和一定的徑向范圍內。 電感式3電渦流PPT課件 導體中產生的電渦流強度隨導體導體中產生的電渦流強度隨導體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。/0d hdJJ e電感式3電渦流PPT課件 d金屬導體中某一點與表面的距離；金屬導體中某一點與表面的距離； Jd沿沿 H1 軸向軸向 d 處的電渦流密度；處的電

13、渦流密度； J0金屬導體表面電渦流密度，即電金屬導體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；渦流密度最大值； h電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。度）。 電感式3電渦流PPT課件 電渦流密度軸向分布曲線 JdJ0 / eohdJ0電感式3電渦流PPT課件電渦流密度主要分布在表面附近。電渦流密度主要分布在表面附近。 0rhf 被測體電阻率愈大，相對導磁率愈被測體電阻率愈大，相對導磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則低，則 h 愈大。愈大。 電感式3電渦流PPT課件 4.3.4 電渦流傳感器測量電路電渦流傳感器測量電路 測量電路的

14、種類：測量電路的種類： 調頻式調頻式 調幅式。調幅式。 電感式3電渦流PPT課件 1. 調頻式電路調頻式電路 電感式3電渦流PPT課件 調頻式測量電路 (a) 測量電路框圖； (b) 振蕩電路 頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f電感式3電渦流PPT課件 頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f電感式3電渦流PPT課件 頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(

15、x)Vcc(b)L1V1V2f電感式3電渦流PPT課件 傳感器線圈接入傳感器線圈接入LC振蕩回路，當振蕩回路，當傳感器與被測導體距離傳感器與被測導體距離 x 改變時，在渦改變時，在渦流影響下，流影響下，傳感器的電感變化傳感器的電感變化。 將導致振蕩頻率的變化，該變化的將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離頻率是距離 x 的函數(shù)，即的函數(shù)，即 f = L (x) 。 該頻率可由該頻率可由數(shù)字頻率計數(shù)字頻率計直接測量，直接測量， 或者通過或者通過 fV 變換，用變換，用數(shù)字電壓數(shù)字電壓表表測量對應的電壓。測量對應的電壓。 電感式3電渦流PPT課件 振蕩器電路如圖振蕩器電路如圖(b)所示。所示。

16、它由它由克拉潑克拉潑電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器( C2、C3、L、C 和和1 )以及以及射極輸出電路射極輸出電路兩部兩部分組成。分組成。 電感式3電渦流PPT課件 頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f電感式3電渦流PPT課件 12( )fL x C電感式3電渦流PPT課件 為了避免輸出電纜的分布電容的影為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將響，通常將 L、C 裝在傳感器內。裝在傳感器內。 此時電纜分布電容此時電纜分布電容并聯(lián)并聯(lián)在大電容在大電容C2、C3 上，因而對振蕩頻率上，因而對振蕩頻率 f

17、 的影響將大大的影響將大大減小。減小。 電感式3電渦流PPT課件 2. 調幅式電路調幅式電路電感式3電渦流PPT課件調幅式測量電路示意圖 放 大檢 波指 示RioLCUo電感式3電渦流PPT課件 傳感器線圈傳感器線圈L、電容器、電容器C和石英晶和石英晶體組成振蕩電路。體組成振蕩電路。 石英晶體振蕩器起恒流源的作用，石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的）穩(wěn)定的激勵電流激勵電流 io 。 電感式3電渦流PPT課件LC 回路輸出電壓回路輸出電壓 ( )ooUi f Z Z為為 LC 回路的阻抗。回路的阻抗。 電感式3電渦流PPT課件調幅式測量電路

18、示意圖 放 大檢 波指 示RioLCUo電感式3電渦流PPT課件 當金屬導體遠離或去掉時，當金屬導體遠離或去掉時，LC并聯(lián)并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率 fo 回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；的輸出電壓也最大； 當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧。發(fā)生變化，導致回路失諧。電感式3電渦流PPT課件 從而使輸出電壓降低，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨的數(shù)值隨距離距離 x 的變化而變化。的變化而變化。 輸出電壓經放大、檢波后，由指示輸出電壓經放

19、大、檢波后，由指示儀表直接顯示出儀表直接顯示出 x 的大小。的大小。 除此之外，除此之外，交流電橋交流電橋也是常用的測也是常用的測量電路。量電路。 電感式3電渦流PPT課件 4.3.5 渦流式傳感器的應用渦流式傳感器的應用 1.低頻透射式渦流低頻透射式渦流厚度厚度傳感器傳感器 2.高頻反射式渦流高頻反射式渦流厚度厚度傳感器傳感器 3. 電渦流式電渦流式轉速轉速傳感器傳感器 電感式3電渦流PPT課件 1.低頻透射式渦流厚度傳感器低頻透射式渦流厚度傳感器電感式3電渦流PPT課件 透射式渦流厚度傳感器結構原理圖 被測金屬板L1L2111U2U電感式3電渦流PPT課件 在被測金屬板的上方設有在被測金屬

20、板的上方設有發(fā)射發(fā)射傳感傳感器線圈器線圈 L1 ，在被測金屬板下方設有，在被測金屬板下方設有接收接收傳感器線圈傳感器線圈 L2 。 當在當在 L1 上加低頻電壓上加低頻電壓 U1 時，時，L1 上上產生交變磁通產生交變磁通1，電感式3電渦流PPT課件 若兩線圈間無金屬板，則交變磁通若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至直接耦合至L2中，中，L2產生感應電壓產生感應電壓U2 。電感式3電渦流PPT課件 將被測金屬板放入兩線圈之間，將被測金屬板放入兩線圈之間，L1線圈產生的磁場將導致在金屬板中產生線圈產生的磁場將導致在金屬板中產生電渦流電渦流, 并將貫穿金屬板。并將貫穿金屬板。 此時磁場能量受到

21、損耗，使到達此時磁場能量受到損耗，使到達L2的磁通將減弱為的磁通將減弱為1，從而使，從而使L2 產生的感產生的感應電壓應電壓U2下降。下降。電感式3電渦流PPT課件 金屬板越厚金屬板越厚，渦流損失就越大，渦流損失就越大，電電壓壓 U2 就越小就越小。 因此，可根據因此，可根據 U2 電壓的大小得知電壓的大小得知被測金屬板的厚度。被測金屬板的厚度。電感式3電渦流PPT課件 透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達可達1100 mm， 分辨率為分辨率為 0.1m， 線性度為線性度為 1%。電感式3電渦流PPT課件 2.高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器 電感式

22、3電渦流PPT課件 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖 厚 度 給 定 系 統(tǒng)S1檢 波比 較 電 壓檢 波S2加 法 器指 示 儀 表帶 材xx1x2電感式3電渦流PPT課件 為了克服帶材不夠平整或運行過程為了克服帶材不夠平整或運行過程中上下波動的影響，在帶材的上、下兩中上下波動的影響，在帶材的上、下兩側對稱地設置了兩個特性完全相同的渦側對稱地設置了兩個特性完全相同的渦流傳感器流傳感器 S1 和和 S2 。 若帶材厚度不變，則被測帶材上、若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)。常數(shù)。電感式3電渦流PPT課件 兩傳感器的輸出電壓之和為兩傳感器的輸出電壓之和為 2Uo ，數(shù)值不變。數(shù)值不變。 如果被測帶材厚度改變量為如果被測帶材厚度改變量為，則，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個，兩傳感器輸出電壓此時為，兩傳感器輸出電壓此時為2UoU。 電感式3電渦流PPT課件 U 經放大器放大后，通過指示儀表經放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。即可指示出帶材的厚度變化值。電感式3電渦流PPT課件 3. 電渦流式轉速傳感器電渦流式轉速傳感器 電感式3電渦流PPT課件電渦流式轉速傳感器