自動檢測-第四章課件

《自動檢測技術》第四章電渦流傳感器本章介紹電渦流效應、趨膚效應、電渦流傳感器的原理、電渦流探頭結構、特性、調幅、調頻轉換電路，電渦流線性位移傳感器、安檢門、裂紋檢測等的應用，介紹接近開關的概念、分類、特性、結構、工作原理、特性參數及其應用。4.1電渦流傳感器的工作原理4.2電渦流傳感器的結構及特性4.3電渦流傳感器的測量轉換電路4.4電渦流傳感器的應用4.5接近開關及應用第四章電渦流傳感器目錄一、電渦流傳感器工作原理電渦流效應演示

當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大，Q值降低，流過電渦流線圈的電流i1增大。

交變勵磁引起鐵心的渦流損耗Pe

減小變壓器鐵損耗的方法：（1）使用軟磁材料減小Ph

；（2）增大鐵心的電阻率，減小渦流及其損耗

；（3）用很薄的互相絕緣的硅鋼片（0.1mm）疊成鐵心，每一片硅鋼片內部的電渦流需要走較長的扁形路線，減小了電渦流損耗

。ΦΦ電渦流大電渦流小電工鋼（硅鋼、矽鋼）具有較大的電阻率和磁通密度，較小的糾頑力、電導率、剩磁和鐵芯損耗，減小了變壓器的損耗，提高了效率。軟磁鐵氧體具有較大的電阻率，所以電渦流損耗較小。與硅鋼比較，在中頻時還能有較高的磁導率。但是單位體積中儲存的磁能較低，飽合磁化強度也較低（只有純鐵的1/5），因而不適合用于低頻領域，而廣泛應用于在1MHz以下的逆變電源中。

電渦流在日常生活中的應用——電磁爐

干凈、高效的電磁爐鐵磁材料制作的鍋具底部既有較大的磁滯損耗,又能產生較大的電渦流,才能產生較大的熱量鍋具與勵磁線圈的距離增大時，電渦流減小，產生報警信號，停止勵磁。2023/2/210電磁爐工作原理框圖電磁爐內部的勵磁線圈電渦流在工業(yè)中的應用——中頻爐

將工頻50HZ交流電轉變?yōu)橹绷麟?，再逆變?yōu)橹蓄l（300HZ以上至1000HZ）電壓，接到中頻爐的中頻繞組兩端，在繞組中產生高密度的交變磁力線，耐高溫容器里盛放的金屬原料內部產生很大的電渦流，使金屬的溫度升高，甚至融化。中頻爐廣泛用于有色金屬的熔煉、淬火或鍛壓。中頻功率源趨膚效應（集膚效應）交變磁場的頻率f越高，電渦流的滲透深度就越淺，趨膚效應越嚴重?？梢岳泌吥w效應來控制非電量的檢測深度。當100kHz～2MHz信號源產生的交變電壓施加到電感線圈L1上時，就產生一次電流i1

，在線圈周圍產生交變磁場Φ。如果將線圈靠近一塊金屬導體，金屬導體表面就產生電渦流i2。i2在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面，這稱為趨膚效應。

圓形導線中的電纜電流趨膚效應示意圖a）直流電流時的均勻分布b）中頻電流時中心部位電密度減小c）高頻電流時，電流線趨向表面分布電渦流線圈等效阻抗分析

.設電渦流線圈在高頻時的等效電阻為R1（大于直流電阻），電感為L1。當有被測導體靠近電渦流線圈時，則被測導體等效為一個短路環(huán)，電渦流線圈L1與導體之間存在一個互感M?；ジ须S線圈與導體之間距離的減小而增大。影響電渦流線圈等效阻抗的因數如果控制上式中的f、μ、σ、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為線圈與被測金屬體的間距δ的單值函數，屬于非接觸式測量。電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z由兩部分構成，即等效電感L和等效電阻R串聯而成：

Z=R+jωL=f(f、μ、σ、r、δ

)上式中的μ、σ為金屬導體的磁導率和電導率，r為表面因子，包括粗超度、溝痕、裂紋等。

當被測物與電渦流線圈的間距δ減小時，電渦流線圈與被測金屬的互感量M增大，等效電感L減小，Q值降低，等效電阻R增大。由于線圈的感抗XL的減小比R的增大大得多，故此時流過電渦流線圈的電流i1增大。電渦流線圈的等效阻抗式中R、L——電渦流線圈靠近被測導體時的等效電阻和等效電感。

當被測物與電渦流線圈的間距δ減小時，電渦流線圈與被測金屬的互感量M增大，等效電感L減小，等效電阻R增大，品質因數Q值降低：Q=ωL/R等效電阻上消耗的有功功率P增大：P=I2R電渦流線圈在不同情況下的品質因數Q值越大，曲線越尖銳，后級檢測電路得到的電壓就越高。Q初始電渦流用于其他非電量的測量

檢測深度的控制：電渦流線圈的激勵頻率一般設定在100kHz~1MHz。頻率越低，有效測量距離越大，能夠檢測被測金屬體內部參數的深度也越深。如果控制間距δ不變，就可以用來檢測與表面電導率σ有關的表面溫度、表面裂紋等參數，或者用來檢測與材料磁導率μ有關的磁性特性、表面硬度等參數。表面溫度升高，電導率σ降低；表面有裂紋時，電渦流減小。第二節(jié)電渦流傳感器結構及特性

電渦流探頭外形及調理電路前置器交變磁場電渦流探頭內部結構

1-電渦流線圈2-探頭殼體3-殼體上的位置調節(jié)螺紋

4—印制線路板5—夾持螺母6—電源指示

7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線9—電纜插頭

YD9800系列電渦流位移傳感器特性

探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關系？

線圈直徑φ/mm殼體螺紋/mm線性范圍/mm最佳安裝距離/mm最小被測面/mm

分辨力/μm5M8×110.515111M14×1.54235425M16×1.58470850M30×2251210010電渦流線圈的直徑越大，探測范圍就越大——電渦流探雷器三、電渦流傳感器的測量轉換電路一種為調幅（AM）式電路，另一種為調頻電路PM。AM：用低頻信號去調制高頻載波的振幅，使其振幅按低頻調制信號的規(guī)律而變化。PM：用低頻信號去調制高頻載波的頻率，使其頻率按低頻調制信號的規(guī)律而變化。其幅度雖然也有變化，必須經過雙向限幅器，才能變?yōu)榈确?，后級電路可以用“鑒頻器”來鑒別載波的頻率變化，重新得到所包含的低頻信號。也可以接到單片機的計數端，由單片機計算出被測量。一、調幅（AM）式電路石英振蕩器產生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz~2MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產生電渦流，引起電渦流線圈兩端電壓的衰減，輸出電壓Uo反映了金屬體與電渦流線圈的間距。部分常用材料對振蕩器振幅的衰減系數人的手、泥土或裝滿水的玻璃杯能對振蕩器的振幅產生明顯的衰減嗎？定頻調幅式電路的幅頻曲線4根曲線與f0的交點決定調幅電路的輸出電壓0－探頭與被測物間距很遠時1－非磁性金屬、間距較大時2－非磁性金屬、間距較小時（Q值降低）3－磁性金屬、間距較小時（鐵磁損耗較大，Q值大幅降低）二、調頻（FM）式電路當電渦流線圈與被測體的距離x變小時，電渦流線圈的電感量L也隨之變?。ǚ氰F質），同時引起LC振蕩器的輸出電壓及頻率變高。如果希望用模擬儀表進行顯示或記錄時，使用“鑒頻器”，可以將f轉換為電壓Uo。并聯諧振回路的諧振頻率設電渦流線圈的初始電感量L=0.8mH，微調電容C0

=100pF，（1pF＝10-12F）求：探頭中的振蕩器的初始頻率f0

。（一般將振蕩器的頻率控制在幾百千赫茲）解：鑒頻器特性曲線設鑒頻器電路的初始頻率f0=1MHz，該鑒頻器的初始輸出電壓為多少伏？當有鋁質金屬板靠近時，輸出電壓如何變化？四、電渦流傳感器的應用

一、位移測量電渦流位移傳感器的輸出為模擬量，例如：0~5V。當金屬物體接近探頭的感應面時，金屬表面吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度衰減或頻率變化，單片機根據ΔUo或Δf，可以計算出與被檢測物體的距離、振動頻率等參數。電渦流位移傳感器屬于非接觸測量器件，工作時不受灰塵、油污等因素的影響。位移傳感器的分類位移測量儀

位移測量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等。數顯位移測量儀探頭電渦流位移傳感器用于軸向位移的監(jiān)測

1—旋轉設備（汽輪機）2—主軸3—聯軸器4—電渦流探頭5—夾緊螺母6—發(fā)電機7—基座位移的標定方法使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓及數顯表讀數，列出對照表，存入計算機，從而達到線性化和曲線擬合的目的。電渦流位移傳感器的靜態(tài)位移標定設備

1—探頭夾具2—電渦流探頭3—標準圓片狀試件4—千分尺測桿5—千分尺套筒6—套筒定螺釘7—千分尺8—底座9—水平調節(jié)墊腳電渦流位移傳感器的標定

在標定區(qū)域里，共設置多個測量點。首先調節(jié)千分尺的讀數為0.000mm。旋松探頭夾具的調節(jié)螺母，使探頭與試件剛好接觸，計算機測得探頭絕對零位的輸出電壓。然后旋動千分尺，使試件緩慢離開探頭，每隔設定的位移（例如0.8mm），測量電渦流傳感器的輸出電壓。電渦流位移傳感器的標定過程示意圖

1—正程數據（黑點?）2—正程折線（細實線）3—回程數據（空心圓圈?）4—回程折線（虛線）5—計算機擬合曲線（粗實線）4~20mA電渦流位移傳感器外形齊平式電渦流位移傳感器外形

齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。V系列電渦流位移傳感器外形齊平式V系列電渦流位移傳感器性能一覽表電渦流位移傳感器的應用

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、電導率、磁導率、表面因素、距離等，因此電渦流傳感器的應用領域十分廣泛，但也同時帶來許多不確定因素，一個或幾個因素的微小變化就足以影響測量結果。所以電渦流傳感器多用于定性測量。在用作定量測量時，必須采用逐點標定、計算機線性糾正、溫度補償等措施。

偏心和振動檢測電渦流探頭通過測量間隙來測量徑向跳動電渦流探頭測量彎曲、波動、變形對橋梁、絲桿等機械結構的振動測量，須使用多個電渦流傳感器，但工作頻率必須錯開。交變磁場測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀

測量冷軋板厚度導向輥測量尺寸、公差及零件識別

通過測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移測量封口機工作間隙間隙越大，電渦流越小電渦流探頭測量注塑機開合模的間隙間距電渦流位移傳感器的距離

與輸出電壓特性曲線1、2、3的量程和線性范圍各為多少mm？振動測量檢波后，得到正半周，低通濾波器濾除載波后，得到被測振動的各項參數：振幅、周期、頻率、失真等。用電渦流調幅法測量簡諧振動時，輸出為典型的調幅波形檢波二極管僅讓正半周信號通過振動測量a）徑向振動測量b）長軸多線圈測量c）葉片振動測量1－電渦流線圈2－被測物調頻法測量振動的波形振動測量汽輪機葉片參數的檢測

測量懸臂梁的振幅及頻率轉速測量

若轉軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數為f（單位為Hz），則轉軸的轉速n（單位為r/min）的計算公式為

10T轉速傳感器與齒輪的相對位置齒輪轉速測量的計算

例：設齒數z=48，測得頻率f=120Hz，求：該齒輪的轉速n

。解：n=60f/z=60×120÷48=7200÷48=150r/min1－電渦流線圈2－被測物電動機轉速測量鍍層厚度測量

由于存在集膚效應，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測量前，可先用電渦流測厚儀對標準厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸出”電壓的標定曲線，以便測量時對照。

鍍層厚度測量示意圖

1－電渦流測厚儀2－金屬鍍層3－塑料工件電渦流涂層厚度測量儀原理塑料表面的金屬鍍層越厚，電渦流就越大。測量絕緣層厚度測量絕緣層厚度與測量金屬鍍層的原理是相反的。絕緣層越厚，探頭與金屬板之間的距離就越大，電渦流就越小。電渦流式通道安全檢查門

安檢門的內部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。如果采用1~6區(qū)線圈檢測技術，可以顯示報警的部位。金屬報警電渦流式通道金屬安全檢查門原理

由1個大線圈、6個小線圈、補償線圈等組成。L11、L12與L21、L22相互垂直，成電氣正交狀態(tài)，無磁路交鏈,Ｕo=0。在有金屬物體通過L11、L12形成的交變磁場H1時，交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流。電渦流也將產生一個新的微弱磁場H2。H2的相位與金屬體位置、大小等有關，但與L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感應出電壓。H2安檢門靈敏度的設定根據人體基本結構，將安檢門劃分為6個探測區(qū)域，可進行100級靈敏度的調整，根據實際應用狀況，預先設定靈敏度的級別。最高靈敏度可探測到一枚回形針大小的金屬，但又可排除皮帶扣、鑰匙、首飾、硬幣等物品。電渦流表面探傷

手持式裂紋測量儀油管探傷軸承滾子渦流探傷機軸承滾子渦流探傷機是由計算機控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設備，可探出深30μm的表面微小裂紋。手提式探傷儀外形掌上型

電渦流

探傷儀用掌上型電渦流探傷儀檢測飛機裂紋臺式電渦流探傷儀花瓣阻抗圖五、接近開關及應用接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。

接近開關的核心部分是“感辨頭”，也稱探頭，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。

接近開關外形接近開關外形（續(xù)）接近開關外形（續(xù)）常用的接近開關分類常用的接近開關有電渦流式（也稱電感接近開關）、電容式、、超聲波式、霍爾式、光電式、磁性干簧開關、微波式等。多數三線制接近開關的Vcc為電源,GND為電源地,OUT為信號線。

常見接近開關的型號說明接近開關與機械行程開關的比較1）非接觸檢測，不影響被測物的運行工況。2）定位準確度高。3）不產生機械磨損和疲勞損傷，耐腐蝕，動作頻率高，工作壽命長。4）響應快，約幾毫秒至十幾毫秒。5）采用全密封結構，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強。6）無觸點、無火花、無噪聲，可適用于要求防爆的場合（防爆型）。7）易于與計算機或PLC等接口。8）體積小，安裝、調整方便9）缺點是“觸點”容量較小，輸出短路時易燒毀。接近開關的主要性能指標

額定動作距離、復位距離、工作距離、動作滯差、重復定位精度（重復性）、動作頻率等。接近開關的主要性能指標（1）動作距離：當被測物由正面靠近接近開關的感應面時，使接近開關動作（輸出狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)）的距離δmin（mm）。（2）復位距離：當被測物由正面離開接近開關的感應面，接近開關轉為復位時，被測物離開感應面的距離δmax。（3）動作滯差：復位距離與動作距離之差。動作滯差越大，對抗被測物抖動等造成的機械振動干擾的能力就強，但動作準確度就越差。接近開關的主要性能指標（續(xù)）（4）額定工作距離：額定工作距離指接近開關在實際使用中被設定的安裝距離。在此距離內，接近開關不應受溫度變化、電源波動等外界干擾而產生誤動作。額定工作距離應小于動作距離，但是若設置得太小，有可能無法復位。實際應用中，考慮到各方面環(huán)境因素干擾的影響，較為可靠的額定工作距離約為動作距離的75%。接近開關的主要性能指標（續(xù)）（5）重復定位準確度(重復性)：表征多次測量的最大動作距離平均值。其數值的離散性的大小一般為最大動作距離的1%～5%。離散性越小，重復定位準確度越高。（6）動作頻率：每秒連續(xù)不斷地進入接近開關的動作距離后又離開的被測物個數或次數稱為動作頻率。若接近開關的動作頻率太低而被測物又運動得太快時，接近開關就來不及響應物體的運動狀態(tài)，有可能造成漏檢。電渦流接近開關的工作原理電渦流接近開關由LC高頻振蕩器和放大調理等電路組成，金屬物體在接近辨頭時，表面產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩頻率或振蕩幅度發(fā)生變化，由內部電路處理后，輸出對應的開關量，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制外電路的通或斷。電渦流接近開關所能檢測的物體必須是導電性能良好的金屬物體。調幅式電渦流接近開關原理框圖調幅式檢測電路：以輸出高頻信號的幅度來反映電渦流探頭與被測金屬導體之間的關系。當被測金屬與接近開關探頭的距離小于設定值時，振蕩電路停振。四線制接近開關的接線說明有的位移傳感器同時具備兩種動輸出狀態(tài)，可選擇從高電壓向低電壓轉變、和從低電壓向高電壓轉變兩種方式，分別稱為NPN和PNP輸出模式，俗稱為常開輸出或常閉輸出模式。接近開關的術語解釋標準檢測體：可與現場被檢金屬作比較的標準金屬檢測體。標準檢測體通常為正方形的A3鋼，厚度為1mm，所采用的邊長是接近開關檢測面直徑的2.5倍。感辯頭的直徑應當小于被測體直徑的1/4不同材料的金屬檢測物對電渦流接近開關動作距離的影響（以Fe為參考金屬）

對于非磁性材料，被測體的電導率越高，則靈敏度越高；被測體是磁性材料時，其磁導率將影響電渦流線圈的感抗，其磁滯損耗還將影響電渦流線圈的Q值。磁滯損耗大時，其靈敏度通常較高。接近開關的術語解釋（續(xù)）接近開關的安裝方式：齊平式（又稱埋入型）的接近開關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）的接近開關則需要把感應頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。接近開關的安裝方式齊平式安裝非齊平式安裝接近開關的術語解釋（續(xù)）響應頻率f：按規(guī)定，在1秒的時間間隔內，接近開關能夠響應的動作循環(huán)的最大次數，重復頻率大于該值時，接近開關無反應。響應時間t：t=1/f

。響應頻率及響應時間示意圖當被檢測物體在1s內掠過的個數超過接近開關的響應頻率時，接近開關沒有響應或出錯。接近開關的術語解釋（續(xù)）輸出狀態(tài)：常開/常閉型接近開關當無檢測物體時，對常開型接近開關而言，由于接近開關內部的輸出晶體管截止，所接的負載不工作（失電）；當檢測到物體時，內部的輸出級NPN晶體管導通，負載得電工作。對常閉型接近開關而言，當未檢測到物體時，輸出級的PNP晶體管與VCC導通狀態(tài)，接地的負載得電工作；反之則負載失電。接近開關的輸出形式（續(xù)）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）等幾種。NPN三線制接近開關的接線輸出形式（1~4）負載負載輸出形式（5~8）負載負載負載

接近開關的電參數術語解釋導通壓降：接近開關在導通狀態(tài)時，開關內部的輸出三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓降。額定工作電流時，導通壓降約為0.3V。導通壓降示意圖0.3V三線制NPN常開型接近開關舉例OUT端與GND端的壓降Uces約為0.3V，流過KA的電流IKA=(VCC-0.3)/RKA。若IKA大于KA的額定吸合電流，則KA能夠可靠吸合。

a）三線制接近開關原理框圖b）NPN、OC門常開輸出電路c）NPN型接近開關的特性例：求NPN常開型接近開關的最大負載設某一接近開關的最大阻性輸出電流IKA=300mA，工作電壓VCC=24V，求:最小負載電阻（最大負載）Rmin

。解：Rmin=(VCC-0.3)/IKA=(24-0.3)V/0.3A=79Ω。若負載為感性，應大于此值的一倍,工作電流減為50%以下,且應在感性負載兩端并聯續(xù)流二極管，反向接法，見下圖。灌電流沒有續(xù)流時，感性負載在斷開瞬間的過電壓NPN常開型接近開關的施密特特性

當被測物體未靠近接近開關時，UB=0，OC門的基極電流IB=0，OC門截止，OUT端為高阻態(tài)（接入負載后為接近電源電壓的高電平）；當被測體逐漸靠近，到達動作距離δmin時，OC門的輸出端對地導通，OUT端對地為低電平（約0.3V）。

當被測物體逐漸遠離接近開關,到達復位距離δmax時,OC門再次截止,KA失電。Δδ為接近開關的動作滯差（