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文檔簡介

1、電感式電渦流第一頁,共80頁。在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流存在趨膚效應(yīng),即渦流滲透的深度與傳感器激勵電流的頻率有關(guān)。根據(jù)電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的滲透情況,電渦流傳感器分為:高頻反射式低頻投射式第二頁,共80頁。 4.3.1 工作原理第三頁,共80頁。 傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時, 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1, 使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電渦流 I2 , I2 又產(chǎn)生新的交變磁場 H2 。 第四頁,共80頁。 根據(jù)愣次定律,H2的作用將阻礙原磁場 H1 的變化。 由于磁場H2的作用,渦流要消耗一部分能量,導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。第五頁,共80頁。 由上可知,線圈阻抗的變化完全取決于被測金

2、屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。 電渦流效應(yīng)既與被測體的、以及幾何形狀有關(guān),第六頁,共80頁。 還與激磁線圈的幾何參數(shù)、激磁線圈中激磁電流頻率 f 有關(guān),同時還與激磁線圈與導(dǎo)體間的距離 x 有關(guān)。 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗 Z 的函數(shù)關(guān)系式為 : 第七頁,共80頁。 Z=F (, r, f, x) r 為激磁線圈與被測體的尺寸因子。 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 Z 就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。 第八頁,共80頁。 通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗 Z 的變化量,即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 4.3.2 基本特性 第九頁,共80頁。 電渦流式傳感器簡化模型 第十

3、頁,共80頁。 在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流可等效為一個短路環(huán), 即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)。 第十一頁,共80頁。 電渦流的軸向貫穿深度 h 貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的 1/e (0.37)處的表面厚度。 f 為線圈激磁電流的頻率。 第十二頁,共80頁。 電渦流式傳感器簡化模型 第十三頁,共80頁。 電渦流的等效電路圖。 第十四頁,共80頁。 R2為電渦流短路環(huán)等效電阻 第十五頁,共80頁。 電渦流式傳感器簡化模型 第十六頁,共80頁。 第十七頁,共80頁。 根據(jù)基爾霍夫第二定律 第十八頁,共80頁。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

4、短路環(huán)等效電阻;M互感系數(shù)。 第十九頁,共80頁。等效阻抗 Z 為 第二十頁,共80頁。 Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 第二十一頁,共80頁。 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 第二十二頁,共80頁。 4.3.3 電渦流形成范圍 1. 電渦流的徑向形成范圍 線圈與導(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)。第二十三頁,共80頁。 當(dāng) x 一定時,電渦流密度 J 與半徑 r 的關(guān)系曲線如圖4-25所示。第二十四頁,共80頁。 電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線 第二十五頁,共80頁。 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

5、處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。 第二十六頁,共80頁。 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5倍范圍內(nèi),且分布不均勻。 第二十七頁,共80頁。 電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線 第二十八頁,共80頁。 電渦流密度在 ri=0 處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。 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(圖中陰影部分)。 第二十九頁,共80頁。 電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線 第三十頁,共80頁。 2. 電渦流強度與距離的關(guān)系 當(dāng) x 改變時,電渦流密度也發(fā)生變化,即電渦流強度隨距離 x 的變化而變化。第三十一頁,共80頁。 金屬導(dǎo)體表面的電渦

6、流強度 第三十二頁,共80頁。I1線圈激勵電流; 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。 第三十三頁,共80頁。電渦流強度與距離歸一化曲線第三十四頁,共80頁。 金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度 第三十五頁,共80頁。 電渦流強度與距離 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量位移時,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。 第三十六頁,共80頁。 金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度 第三十七頁,共80頁。電渦流強度與距離歸一化曲線第三十八頁,共80頁。 3. 電渦流的軸向貫穿深度 貫穿深度

7、是指把電渦流強度減小到表面強度的 1/e 處的表面厚度。 由于金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng),電磁場不能穿過導(dǎo)體的無限厚度,僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)。 第三十九頁,共80頁。 導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。第四十頁,共80頁。 d金屬導(dǎo)體中某一點與表面的距離; 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,即電渦流密度最大值; h電渦流軸向貫穿的深度(趨膚深度)。 第四十一頁,共80頁。 電渦流密度軸向分布曲線 第四十二頁,共80頁。電渦流密度主要分布在表面附近。 被測體電阻率愈大,相對導(dǎo)磁率愈小,以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低,則 h 愈大。

8、第四十三頁,共80頁。 4.3.4 電渦流傳感器測量電路 測量電路的種類: 調(diào)頻式 調(diào)幅式。 第四十四頁,共80頁。 1. 調(diào)頻式電路 第四十五頁,共80頁。 調(diào)頻式測量電路 (a) 測量電路框圖; (b) 振蕩電路 第四十六頁,共80頁。 第四十七頁,共80頁。 第四十八頁,共80頁。 傳感器線圈接入LC振蕩回路,當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離 x 改變時,在渦流影響下,傳感器的電感變化。 將導(dǎo)致振蕩頻率的變化,該變化的頻率是距離 x 的函數(shù),即 f = L (x) 。 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量, 或者通過 fV 變換,用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。 第四十九頁,共80頁。 振蕩器電路如圖(b)所

9、示。 它由克拉潑電容三點式振蕩器( C2、C3、L、C 和1 )以及射極輸出電路兩部分組成。 第五十頁,共80頁。 第五十一頁,共80頁。 第五十二頁,共80頁。 為了避免輸出電纜的分布電容的影響,通常將 L、C 裝在傳感器內(nèi)。 此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3 上,因而對振蕩頻率 f 的影響將大大減小。 第五十三頁,共80頁。 2. 調(diào)幅式電路第五十四頁,共80頁。調(diào)幅式測量電路示意圖 第五十五頁,共80頁。 傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成振蕩電路。 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(f0)穩(wěn)定的激勵電流 io 。 第五十六頁,共80頁。LC 回路輸出電壓 Z

10、為 LC 回路的阻抗。 第五十七頁,共80頁。調(diào)幅式測量電路示意圖 第五十八頁,共80頁。 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時,LC并聯(lián)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,諧振回路上的輸出電壓也最大; 當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時,線圈的等效電感L發(fā)生變化,導(dǎo)致回路失諧。第五十九頁,共80頁。 從而使輸出電壓降低,L的數(shù)值隨距離 x 的變化而變化。 輸出電壓經(jīng)放大、檢波后,由指示儀表直接顯示出 x 的大小。 除此之外,交流電橋也是常用的測量電路。 第六十頁,共80頁。 4.3.5 渦流式傳感器的應(yīng)用 1.低頻透射式渦流厚度傳感器 2.高頻反射式渦流厚度傳感器 3. 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

11、 第六十一頁,共80頁。 1.低頻透射式渦流厚度傳感器第六十二頁,共80頁。 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 第六十三頁,共80頁。 在被測金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈 L1 ,在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈 L2 。 當(dāng)在 L1 上加低頻電壓 U1 時,L1 上產(chǎn)生交變磁通1,第六十四頁,共80頁。 若兩線圈間無金屬板,則交變磁通直接耦合至L2中,L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2 。第六十五頁,共80頁。 將被測金屬板放入兩線圈之間,L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流, 并將貫穿金屬板。 此時磁場能量受到損耗,使到達(dá)L2的磁通將減弱為1,從而使L2 產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。第六十六頁,共

12、80頁。 金屬板越厚,渦流損失就越大,電壓 U2 就越小。 因此,可根據(jù) U2 電壓的大小得知被測金屬板的厚度。第六十七頁,共80頁。 透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達(dá)1100 mm, 分辨率為 0.1m, 線性度為 1%。第六十八頁,共80頁。 2.高頻反射式渦流厚度傳感器 第六十九頁,共80頁。 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖 第七十頁,共80頁。 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、下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個特性完全相同的渦流傳感器 S1 和 S2 。 若帶材厚度不變,則被測帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)。第七十一頁,共80頁。 兩傳感器的輸出電壓之和

13、為 2Uo ,數(shù)值不變。 如果被測帶材厚度改變量為,則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2UoU。 第七十二頁,共80頁。 U 經(jīng)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。第七十三頁,共80頁。 3. 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 第七十四頁,共80頁。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖 第七十五頁,共80頁。 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽,在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器,輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。 當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+d。 第七十六頁,共80頁。 由于電渦流效應(yīng),使傳感器線圈阻抗隨d 的變化而變化,從而導(dǎo)致振蕩回路的Q發(fā)生變化,它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。 隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn),振蕩器輸出的

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