常用傳感器工作原理電渦流式實(shí)用教案

1、1何謂(hwi)渦流？在許多電工設(shè)備中都存在大塊導(dǎo)體(如發(fā)電機(jī)和變壓器的鐵心和端蓋等)。當(dāng)這些大塊導(dǎo)體處在變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)，其內(nèi)部都會(huì)感應(yīng)出電流。這些電流的特點(diǎn)是：在大塊導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，呈旋渦狀流動(dòng)(lidng)。因此，稱之為渦旋電流，簡(jiǎn)稱渦流。例如，含有圓柱導(dǎo)體芯的螺管線圈中通有交變電流時(shí)，圓柱導(dǎo)體芯中出現(xiàn)的感應(yīng)電流或渦流，如圖所示。 3.5 電渦流(wli)式傳感器當(dāng)交變電流通過導(dǎo)線時(shí)，感應(yīng)電流（渦流）將集中在導(dǎo)體表面流通，尤其當(dāng)頻率較高時(shí)，此電流幾乎是在導(dǎo)體表面附近的一薄層中流動(dòng)，這就是所謂的集膚效應(yīng)現(xiàn)象。第1頁/共23頁第一頁，共24頁。2交變電流頻率(pnl)

2、越高，渦流的集膚效應(yīng)越顯著，即渦流穿透深度越小，其穿透深度 ：h)(5030cmfhr可見，渦流穿透深度與激勵(lì)電流頻率(pnl)有關(guān)，所以根據(jù)激勵(lì)頻率(pnl)高低，渦流傳感器可分為：高頻反射式和低頻透射式兩大類。前者用于非接觸式位移變量的檢測(cè)，后者僅用于金屬板厚度的測(cè)量。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測(cè)量(cling)，適用范圍廣。用來測(cè)量(cling)位移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無損探傷領(lǐng)域。由于目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛，因此本節(jié)主要介紹高頻反射式電渦流傳感器。rf導(dǎo)體的電阻率導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率交變磁場(chǎng)頻率第2頁/共23頁第二

3、頁，共24頁。3高頻(o pn)反射式如圖所示，金屬板置于一只線圈(xinqun)的附近，它們之間相互的間距為，當(dāng)線圈(xinqun)輸入一交變電流i1 時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量1 ，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i2 ，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流”。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)2，與線圈(xinqun)的磁場(chǎng)變化方向相反， 2總是抵抗1的變化，由于渦流磁場(chǎng)2的作用使原線圈(xinqun)的等效阻抗發(fā)生變化。1i12i2渦電流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗(zkng)的變化而進(jìn)行測(cè)量的。1MHz第3頁/共23頁第三頁，共24頁。4一般講，線圈(xinqu

4、n)的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電阻率 、磁導(dǎo)率 、線圈(xinqun)與金屬導(dǎo)體的距離 以及線圈(xinqun)激勵(lì)電流的頻率 等參數(shù)有關(guān) 。f即，線圈阻抗 是這些(zhxi)參數(shù)的函數(shù)，可寫成(,)Zff Z1i12i2第4頁/共23頁第四頁，共24頁。5若能控制其中大部分參數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)(y )參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量(cling)，靈敏度較高，適用性強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。利用變換量 、 、 等的綜合(zngh)影響，可以做成探傷裝置等。其應(yīng)用大致有下列四個(gè)方面：利用位移 作為變化量，可以測(cè)被測(cè)量位移、厚度

5、、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等；利用材料電阻率 作為變換量，可以做成溫度測(cè)量、材質(zhì)判別等傳感器利用磁導(dǎo)率 作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器；(,)Zff 第5頁/共23頁第五頁，共24頁。6基本(jbn)結(jié)構(gòu)： 1234561 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜(dinln) 6 插頭高頻反射電渦流傳感器主要由線圈和框架組成。由于電渦流式傳感器的主體是激磁線圈，所以線圈的性能和幾何尺寸(ch cun)、形狀對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生重要的影響。一般情況下，線圈的導(dǎo)線采用高強(qiáng)度漆包線；要求較高的場(chǎng)合，可以用銀或銀合金線；在較高溫度條件下，需要用高溫漆包線。下圖

6、為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。第6頁/共23頁第六頁，共24頁。7型號(hào)線性范圍/m線圈外徑/mm分辨力/m線性誤差（%）使用溫度/CCZF1-1000 1000 7 1 3 -15+80 CZF1-30003000 1533 -15+80CZF1-5000500028 5 3 -15+80 分析上表請(qǐng)得出結(jié)論：分析上表請(qǐng)得出結(jié)論： 線圈外徑線圈外徑(wi jn)與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？ 線圈外徑(wi jn)越大，測(cè)量范圍就越大，但分辨力就越差，靈敏度也降低。第7頁/共23頁第七頁，共24頁。

7、8非接觸電渦流式位移、振動(dòng)傳感器，具有非接觸測(cè)量、線性范圍較寬，靈敏度高、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)、無介質(zhì)影響、穩(wěn)定可靠、易于處理等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于冶金、化工。航天等行業(yè)中，進(jìn)行位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速(zhun s)、厚度、表面不平度等機(jī)械量的檢測(cè)。 第8頁/共23頁第八頁，共24頁。9大直徑大直徑(zhjng)(zhjng)電渦流探雷器電渦流探雷器 第9頁/共23頁第九頁，共24頁。10低頻(dpn)透射式發(fā)射線圈發(fā)射線圈L1和接收線圈和接收線圈L2分置于被測(cè)金屬板的上下方。由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，分置于被測(cè)金屬板的上下方。由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍音頻范圍)電壓電壓e1加

8、到線圈加到線圈L1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板，使線圈過金屬板，使線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。因此，越小。因此，e2的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)表明的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)表明e2隨材料厚度隨材料厚度h的增加按負(fù)的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定指數(shù)規(guī)律減少，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定(ydng)

9、，則利用，則利用e2的變化即可測(cè)的變化即可測(cè)厚度。厚度。第10頁/共23頁第十頁，共24頁。11第11頁/共23頁第十一頁，共24頁。12測(cè)量(cling)電路：阻抗分壓式調(diào)幅電路(dinl)和調(diào)頻電路(dinl)12fLC并聯(lián)諧振(xizhn)回路( )Zf阻抗分壓式調(diào)幅電路是以傳感線圈與調(diào)諧電容組成并聯(lián)LC諧振回路，由石英震蕩器提供高頻激磁電流，測(cè)量電路的輸出電壓正比于LC諧振電路的阻抗Z因而傳感線圈與被測(cè)體之間距離的變化，引起Z的變化，使輸出電壓跟隨變化，從而實(shí)現(xiàn)位移量的測(cè)量，故稱調(diào)幅法第12頁/共23頁第十二頁，共24頁。13調(diào)頻(dio pn)電路調(diào)頻法是以LC振蕩(zhndng)回

10、路的頻率作為輸出量。當(dāng)金屬板至傳感器之間的距離發(fā)生變化時(shí)，將引起線圈電感的變化，從而使振蕩器的頻率發(fā)生變化，再通過(tnggu)鑒頻器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與 成比例的輸出電壓。第13頁/共23頁第十三頁，共24頁。14應(yīng)用(yngyng)1. 位移(wiy)測(cè)量主要用途之一，凡是可以(ky)變成位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器來測(cè)量。如：氣輪機(jī)主軸的竄動(dòng)，金屬材料的熱膨脹系數(shù)，鋼水液位，流體壓力等。日本用電渦流傳感器成功完成了北海道高速鐵路的鐵軌位移檢測(cè)。2. 轉(zhuǎn)速測(cè)量在旋轉(zhuǎn)體上加裝一個(gè)槽狀或齒狀（槽數(shù)或齒數(shù)為n）金屬體，旁邊安裝一個(gè)電渦流傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器將周期地改

11、變輸出信號(hào)，由頻率計(jì)數(shù)，求出轉(zhuǎn)速：60nfN3. 電渦流探傷可以檢查金屬表面裂紋、熱處理裂紋、焊接處的質(zhì)量探傷等。統(tǒng)稱探傷。探傷時(shí)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體保持距離不變，由于裂紋出現(xiàn)，將引起導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率變化，也可以說是裂紋處位移變化，即渦流損耗改變，從而引起輸出電壓變化。第14頁/共23頁第十四頁，共24頁。15高頻(o pn)反射式渦流厚度傳感器第15頁/共23頁第十五頁，共24頁。16渦流軸心(zhu xn)軌跡測(cè)量第16頁/共23頁第十六頁，共24頁。17渦流(wli)振動(dòng)測(cè)量渦流(wli)轉(zhuǎn)速測(cè)量第17頁/共23頁第十七頁，共24頁。18第18頁/共23頁第十八頁，共24頁。19利用渦電流

12、傳感器測(cè)量物體位移時(shí)，如果被測(cè)物體是塑料材料，此時(shí)能否進(jìn)行位移測(cè)量？為了能對(duì)物體進(jìn)行位移測(cè)量應(yīng)采取(ciq)什么措施。思 考第19頁/共23頁第十九頁，共24頁。20電渦流電渦流(wli)(wli)的應(yīng)用的應(yīng)用 在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅皆谖覀?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常可以遇到 干凈干凈(gnjng)、高、高效的效的 電磁爐電磁爐第20頁/共23頁第二十頁，共24頁。21電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁(l c)線線圈圈第21頁/共23頁第二十一頁，共24頁。22電磁爐的工作電磁爐的工作(gngzu)原理原理 高頻電流通高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)生交變磁場(chǎng)(cchng)，在，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋燒開鍋 內(nèi)內(nèi) 的的 食食 物。物。第22頁/共23頁第二十二頁，共24頁。23感謝您的觀看(gunkn)！第23頁/共23頁第二十三頁，共24頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)1。在許多電工設(shè)備中都存在大塊(d kui)導(dǎo)體(如發(fā)電