自動檢測技術(shù)及應用ppt課件第4 電渦流傳感器課件

根據(jù)法拉第電磁感應原理,塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時,導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流,此電流叫電渦流,以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導體內(nèi)的貫穿情況,此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類,但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量,另外還具有體積小,靈敏度高,頻率響應寬等特點,應用極其廣泛。第四章電渦流式傳感器一、基本工作原理1、電渦流效應：根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)部將產(chǎn)生漩渦狀的感應電流，成為電渦流，這種現(xiàn)象稱為“電渦流效應”。特點：能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。2、工作原理根據(jù)法拉第定律，當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，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。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。........二、電渦流形成范圍1.電渦流的徑向形成范圍線圈—導體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當x一定時，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖所示。J0為金屬導體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導體表面電渦流密度）。由圖可知：①電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。②電渦流密度在ri=0處為零。③電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。④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）。2.電渦流強度與距離的關(guān)系理論分析和實驗都已證明，當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。根據(jù)線圈—導體系統(tǒng)的電磁作用，可以得到金屬導體表面的電渦流強度為式中：I1——線圈激勵電流；

I2——金屬導體中等效電流；

x——線圈到金屬導體表面距離；

ras——線圈外徑。以上分析表明：①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。②當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。所謂貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的1/e處的表面厚度。由于電磁場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(nèi)，并且導體中產(chǎn)生的電渦流強度是隨導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：

3.電渦流的軸向貫穿深度式中：d——金屬導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）。式中:f——線圈激磁電流的頻率。

三、電渦流傳感器等效電路ω——線圈激磁電流角頻率；R1、L1——線圈電阻和電感；M——互感系數(shù)。解得等效阻抗Z的表達式為式中：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線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為四、電渦流傳感器測量電路1.調(diào)頻式電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，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f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應的電壓。振蕩器電路如圖(b)所示。它由克拉潑電容三點式振蕩器(C2、C3、L、C和Ｖ1)以及射極輸出電路兩部分組成。振蕩器的頻率為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。由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖所示。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，LC回路輸出電壓式中,Z為LC回路的阻抗。當金屬導體遠離或去掉時，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；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x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。

2.調(diào)幅式電路五、電渦流傳感器的應用1.低頻透射式渦流厚度傳感器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。當在L1上加低頻電壓U1時，L1上產(chǎn)生交變磁通φ1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應電壓U2。如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導致在金屬板中產(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L2的磁通將減弱為φ1′，從而使L2產(chǎn)生的感應電壓U2下降。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。透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達1～100mm，分辨率為0.1μm，線性度為1%。.....2.高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖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。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。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)的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測帶材厚度改變量為Δδ，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個Δδ，兩傳感器輸出電壓此時為2Uo±ΔU。ΔU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。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。圖所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。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。3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器當被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+Δd。由于電渦流效應，使傳感器線圈阻抗隨Δd的變化而變化，這種變化將導致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)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。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號。該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號。該信號經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速傳感器可實現(xiàn)非接觸式測量，抗污染能力很強，可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長期對被測轉(zhuǎn)速進行監(jiān)視。最高測量轉(zhuǎn)速可達600000r/min。若旋轉(zhuǎn)體上已開有一條或數(shù)條槽或做成齒狀則可在旁邊安裝一個電渦流式傳感器，如圖4-18所示。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，傳感器周期也改變著與旋轉(zhuǎn)體表面之間的距離。于是它的輸出也周期性的發(fā)生變化，此輸出信號經(jīng)放大、變換后，可以用頻率計測出其變化頻率，從而測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)軸上開P個槽頻率計的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計算公式為

當金屬體靠近電渦流探頭時，隨著金屬體表面電渦流的增大，電渦流的Q值越來越低，振蕩器的振蕩幅度也越來越低。當兩者的距離小于某一限定值時，振蕩器停振，比較器輸出高電平，報警器報警，執(zhí)行機構(gòu)操作。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是一個繞制在框架上的線圈，目前比較普遍使用的是矩形截面的扁平線圈。線圈的導線應選用電阻