《電渦流傳感器》PPT課件-PPT課件

1、第四章 電渦流傳感器 本章學(xué)習(xí)電渦流傳感器的原理及應(yīng)用，并介紹接近開(kāi)關(guān)的原理、結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)及應(yīng)用。2022/7/1922022/7/193 當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x 減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L 減小，等效電阻R 增大。感抗XL 的變化比R 的變化大得多，流過(guò)電渦流線圈的電流i1增大。 第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理 電渦流效應(yīng)：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流(電渦流)的現(xiàn)象。 電渦流式傳感器原理圖 式中：r -線圈與被測(cè)導(dǎo)體的尺寸因子。 上圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈導(dǎo)體

2、系統(tǒng)。當(dāng)傳感器線圈通以交變電流 時(shí)，由于電流的變化，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng) ，使置于此磁場(chǎng)中的被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電渦流 ，電渦流 又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng) 。 與 方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致傳感器線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，即線圈的等效阻抗發(fā)生變化。這些變化與被測(cè)導(dǎo)體的電阻率 、磁導(dǎo)率 以及幾何形狀有關(guān)，也與線圈幾何參數(shù)、激磁電流頻率 有關(guān)，還與線圈與被測(cè)導(dǎo)體間的距離 有關(guān)。因此可寫(xiě)為：電渦流式傳感器簡(jiǎn)化模型 電渦流式傳感器等效電路圖 f -為線圈激磁電流的頻率；-為金屬導(dǎo)體的電阻率；r-為金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。 模型中，把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流

3、僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得： 集膚效應(yīng)：當(dāng)高頻（100kHz左右）信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個(gè)靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L1時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)H1。如被測(cè)導(dǎo)體置于該交變磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)（也稱趨膚效應(yīng)）。 集膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 等有關(guān)。頻率f 越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。 根據(jù)簡(jiǎn)化模型，可將金屬導(dǎo)體形象地看做一個(gè)短路線圈，它與傳感器線圈之間存在耦合關(guān)系，它們之間的等效電路圖如上。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其

4、表達(dá)式為： 根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程： -線圈激磁電流角頻率R1-線圈電阻L1-線圈電感L2-短路環(huán)等效電感R2-短路環(huán)等效電阻M -互感系數(shù) 等效阻抗Z的表達(dá)式為： 式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 Leq線圈受電渦流影響后的等效電感 電渦流線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z 的函數(shù)表達(dá)式為： Z =R +jL=f（i1, f, , , r, x, ）等效阻抗分析等效阻抗與非電量測(cè)量的應(yīng)用 檢測(cè)深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測(cè)深度。激勵(lì)源頻率一般設(shè)定在100kHz-1MHz。頻率越低，檢測(cè)深度越深。 間距x的測(cè)量：如果控制

5、上式中的i1、f、r 不變，電渦流線圈的阻抗Z 就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸地測(cè)量位移的傳感器。 多種用途：如果控制x、i1、f 不變，就可以用來(lái)檢測(cè)與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來(lái)檢測(cè)與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。1、電渦流形成范圍徑向形成范圍 線圈導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時(shí)，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線下圖所示（圖中J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度）。由圖可知： 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5倍

6、范圍內(nèi)，且分布不均勻。 電渦流密度在ri=0處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。 可以用一個(gè)平均半徑為 的短路環(huán) 來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。電渦流效應(yīng)的基本特性 電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線 2、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，當(dāng)x改變時(shí)，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離x的變化而變化。根據(jù)線圈導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用， 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為： 式中：I1線圈激勵(lì)電流； I2金屬導(dǎo)體中等效電流； x 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras線圈外徑。 電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線 根據(jù)上式作出的歸一化曲線如圖所示。 以上分析表明： 電

7、渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。 當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。3、電渦流的軸向貫穿深度 所謂貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的1/e處的表面厚度。 由于金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，電磁場(chǎng)不能穿過(guò)導(dǎo)體的無(wú)限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強(qiáng)度是隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指數(shù)衰減分布規(guī)律可用下式表示： 式中：d金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離； Jd沿H1 軸向d處的電渦流密度； J0金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，(電渦流密度最大值) h電渦流軸

8、向貫穿的深度,（趨膚深度）。電渦流密度軸向分布曲線 如圖所示為電渦流密度軸向分布曲線，可知，電渦流密度主要分布在表面附近。 由前面分析可知，被測(cè)體電阻率愈大，相對(duì)導(dǎo)磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿深度h 愈大。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵(lì)。 交變磁場(chǎng)第二節(jié) 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性1、電渦流探頭結(jié)構(gòu)電渦流探頭外形1電渦流線圈 2探頭殼體 3殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋 4印制線路板 5夾持螺母 6電源指示燈7閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭CZF-1系列傳感器的性能分析上表可得出結(jié)論： 探頭直徑越大，測(cè)量范圍越大、分辨力越差、靈敏度越低。2、被測(cè)材料、形狀和體積

9、對(duì)靈敏度的影響電阻率、磁導(dǎo)率：非磁性材料，電阻率低，靈敏度高； 磁性材料，除電阻率外，還受磁導(dǎo)率的影響。形狀、體積大?。罕P(pán)狀，要求被測(cè)對(duì)象直徑2倍探頭線圈直徑； 柱狀，要求被測(cè)圓柱直徑4倍探頭線圈直徑。大直徑電渦流探雷器2022/7/1921電渦流的應(yīng)用干凈、高效的電磁爐 高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋內(nèi)的食物。線圈電磁爐的工作原理一、調(diào)幅（AM）式電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz-1MHz)用于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電

10、壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響(例如兩者之間的距離等參數(shù))。第三節(jié) 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路部分常用材料對(duì)振蕩器振幅的衰減系數(shù) 人的手、泥土或裝滿水的玻璃杯能對(duì)振蕩器的振幅產(chǎn)生明顯的衰減嗎？為什么？二、調(diào)頻（FM）式電路 當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x 改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC 振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率: 設(shè)電渦流線圈的電感量L=0.8mH，微調(diào)電容C0=200pF，求振蕩器的頻率f 。鑒輸出電壓與輸入頻率成正比鑒頻器特性使用鑒頻器可以將f 轉(zhuǎn)換為電壓Uo 設(shè)電

11、路參數(shù)如上圖，計(jì)算電渦流線圈未接近金屬時(shí)的鑒頻器輸出電壓Uo；若電渦流線圈靠近金屬后，電渦流探頭的輸出頻率f上升為500kHz，f為多少？輸出電壓Uo又為多少？ 一、位移測(cè)量 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子器件。接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可地計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測(cè)量，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長(zhǎng)，可在各種惡劣條件下使用。第四節(jié) 電渦流傳感器的應(yīng)用1、位移測(cè)量?jī)x位移測(cè)量：偏心、

12、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等。來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。電流型電渦流位移傳感器V系列齊平式傳感器安裝時(shí)可以不高出安裝面，不易被損害。V系列電渦流位移傳感器性能一覽表V系列電渦流位移傳感器機(jī)械圖 該型號(hào)位移傳感器同時(shí)具備兩種動(dòng)作輸出狀態(tài)，用戶可選擇從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變和從低電壓向高電壓轉(zhuǎn)變兩種方式，分別稱為NPN和PNP輸出模式，俗稱為常開(kāi)輸出或常閉輸出模式。 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面因素、距離等。只要固定其他因素就可以用電渦流傳感器來(lái)測(cè)量剩下的一個(gè)因素。因此電渦流傳感

13、器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。但也同時(shí)帶來(lái)許多不確定因素，一個(gè)或幾個(gè)因素的微小變化就足以影響測(cè)量結(jié)果。所以電渦流傳感器多用于定性測(cè)量。位移傳感器的分類2、偏心和振動(dòng)檢測(cè)通過(guò)測(cè)量間隙來(lái)測(cè)量徑向跳動(dòng)3、測(cè)量彎曲、變形對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。測(cè)量冷軋板厚度4、金屬薄膜、板材厚度的測(cè)量A、 低頻透射式渦流厚度傳感器 B、 高頻反射式渦流厚度傳感器 5、測(cè)量尺寸、公差及零件識(shí)別測(cè)量間隙來(lái)測(cè)定熱膨脹引起的上下平移測(cè)量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小測(cè)量注塑機(jī)開(kāi)合模的間隙位移的標(biāo)定方法 使用千分尺，逐一對(duì)照測(cè)量電路的輸出電壓及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對(duì)照表，存入計(jì)算機(jī)，從而達(dá)到線性化的目的。電

14、渦流位移傳感器的距離與輸出電壓特性曲線1.量程為10mm 2.量程為16mm 3.量程為20mm二、振動(dòng)測(cè)量用電渦流探頭、調(diào)幅法測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，探頭的輸出波形。調(diào)頻法測(cè)量振動(dòng)的波形汽輪機(jī)葉片測(cè)試測(cè)量懸臂梁的振幅及頻率三、轉(zhuǎn)速測(cè)量 若轉(zhuǎn)軸上開(kāi)z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f(單位為Hz)，則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)的計(jì)算公式為:各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器及其與齒輪的相對(duì)位置齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量例:下圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測(cè)得頻率f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量四、鍍層厚度測(cè)量 由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測(cè)量前，可先用電渦流測(cè)厚儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸

15、出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測(cè)量時(shí)對(duì)照。電渦流涂層厚度儀原理測(cè)量金屬鍍層或絕緣層厚度的計(jì)算方法有何區(qū)別？五、電渦流式通道安全檢查門(mén) 安檢門(mén)的內(nèi)部設(shè)置有許多發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過(guò)時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓。計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。在安檢門(mén)的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟x光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。當(dāng)有金屬物體穿越安檢門(mén)時(shí)報(bào)警安檢門(mén)演示油管探傷六、電渦流表面探傷手持式裂紋測(cè)量?jī)x 滾子渦流探傷機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設(shè)備，可探出深30m的表面微小裂紋。手提式探傷儀外

16、形掌上型電渦流探傷儀用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋臺(tái)式電渦流探傷儀花瓣阻抗圖第五節(jié) 接近開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介 接近開(kāi)關(guān)又稱無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)（常開(kāi)閉合；常閉斷開(kāi)）。 接近開(kāi)關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。接近開(kāi)關(guān)外形一、常用的接近開(kāi)關(guān)分類 常用的接近開(kāi)關(guān)有電渦流式(俗稱電感接近開(kāi)關(guān))、電容式、磁性干簧開(kāi)關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。二、接近開(kāi)關(guān)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)是：接近開(kāi)關(guān)與被測(cè)物不接觸、不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪聲、防潮、防

17、塵、防爆性能較好、輸出信號(hào)負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便. 缺點(diǎn)是：觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀。三、接近開(kāi)關(guān)的主要性能指標(biāo)額定動(dòng)作距離：額定條件下 工作距離：設(shè)定值動(dòng)作滯差：動(dòng)作距離-復(fù)位距離 動(dòng)作頻率：響應(yīng)時(shí)間重復(fù)定位精度：重復(fù)測(cè)量間距四、電渦流接近開(kāi)關(guān)(電感接近開(kāi)關(guān))的工作原理 電渦流式接近開(kāi)關(guān)俗稱電感接近開(kāi)關(guān)，屬于一種開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。 利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)的振蕩感辨頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種

18、接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。原理框圖1.動(dòng)作(檢測(cè))距離: 動(dòng)作距離是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置(接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面)到開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離是指接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。 2.設(shè)定距離：指接近開(kāi)關(guān)在實(shí)際工作中的整定距離，一般為額定動(dòng)作距離的0.8倍。被測(cè)物與接近開(kāi)關(guān)之間的安裝距離一般等于額定動(dòng)作距離，以保證工作可靠。安裝后還須通過(guò)調(diào)試，然后緊固。3.復(fù)位距離：接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，又再次復(fù)位時(shí)的與被測(cè)物的距離，它略大于動(dòng)作距離。4.回差值: 動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。回差值越大，對(duì)外界的干擾以及被測(cè)物的抖動(dòng)等的抗干擾能力就越

19、強(qiáng)。五、接近開(kāi)關(guān)的術(shù)語(yǔ)5、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體：可與現(xiàn)場(chǎng)被檢金屬作比較的標(biāo)準(zhǔn)金屬檢測(cè)體。標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體通常為正方形的A3鋼，厚度為1mm，所采用的邊長(zhǎng)是接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)面直徑的2.5倍。6、接近開(kāi)關(guān)的安裝方式：分齊平式和非齊平式。齊平式(又稱埋入型)的接近開(kāi)關(guān)表面可與被安裝的金屬物件形成同一表面，不易被碰壞，但靈敏度較低；非齊平式(非埋入安裝型)的接近開(kāi)關(guān)則需要把感應(yīng)頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。7、響應(yīng)頻率f：按規(guī)定，在1秒的時(shí)間間隔內(nèi)，接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的最大次數(shù)，重復(fù)頻率大于該值時(shí)，接近開(kāi)關(guān)無(wú)反應(yīng)。8、響應(yīng)時(shí)間t：接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物體時(shí)刻到接近開(kāi)關(guān)出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間之差?？捎霉綋Q算： t =1/f9、輸出狀態(tài)：常開(kāi)/常閉型接近開(kāi)關(guān)。 對(duì)常開(kāi)型接近開(kāi)關(guān)：當(dāng)未檢測(cè)到物體時(shí)，接近開(kāi)關(guān)內(nèi)部的輸出三極管截止，負(fù)載不工作(失電)；當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，內(nèi)部的輸出級(jí)三極管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。對(duì)常閉型接近開(kāi)關(guān)：當(dāng)未檢測(cè)到物體時(shí)，三極管反而處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載得電工作；反之則負(fù)載失電。10、輸出形式：常用的輸出方式 NPN二線，NPN三線，NPN四線，PNP二線，PNP三線， PNP四線，DC二線，AC二線，AC五線（帶繼電器）等。 讀者可查閱以下有關(guān)資料。11、導(dǎo)通壓降