傳感器與檢測技術(shù)課件-3金屬介質(zhì)材料的檢測與控制

項(xiàng)目三金屬材料的檢測與控制能檢測出金屬材料的傳感器有多種，其中比較重要的是電渦流傳感器、超聲波測距傳感器和磁電式傳感器。非接觸式電渦流傳感器超聲波傳感器磁電式傳感器任務(wù)一電渦流傳感器高頻（數(shù)MHz以上）激勵電流i施加于鄰近金屬板一側(cè)的線圈由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的表面在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流渦流又產(chǎn)生反向的磁場，反作用于線圈上，由此引起線圈自感L或線圈阻抗的變化。(1)電渦流原理這是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。

它能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器還可用于無損探傷。原理如下圖示。

(1)類型高頻反射式電渦流傳傳感器

a、結(jié)構(gòu)：由一個固定在框架上的扁平線圈組成。

為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.8倍，否則靈敏度要降低。當(dāng)被測物體是圓柱體時，被測導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，靈敏度才不受影響。原理

電渦流傳感器的線圈與被測金屬導(dǎo)體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進(jìn)行測量的。因此，被測物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測量裝置特性有關(guān)。一般來說，被測物的電導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度也越高。

一般地，測薄金屬板時，頻率應(yīng)略高些，測厚金屬板時，頻率應(yīng)低些。如下圖在測量ρ較小的材料時，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測量ρ較大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。任務(wù)二超聲波傳感器超聲波及其物理性質(zhì)振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動,簡稱波。頻率在16~2×104Hz之間,能為人耳所聞的機(jī)械波,稱為聲波;低于16Hz的機(jī)械波,稱為次聲波;高于2×104Hz的機(jī)械波,稱為超聲波。如圖10-1。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時,由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同,在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。一、超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同,聲波的波型也不同。通常有:①縱波——質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波;②橫波——質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波;③表面波——質(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播,表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量,應(yīng)多采用縱波?？v波、橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度,氣體中聲速為344m/s,液體中聲速在900~1900m/s。由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時,入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時,入射角α的正弦與折射角的正弦之比,等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比,即

三、超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時,隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減,其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為

Px=P0e-αxIx=I0e-2αx超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,而以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷,這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的:逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動,從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而利用正壓電效應(yīng),將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號,可用為接收探頭。圖給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置水中,讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)生的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方,讓超聲波在空氣中傳播,這種方式便于安裝和維修,但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。對于單換能器來說,超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器的時間為超聲波發(fā)射接收示意圖式中:h——換能器距液面的距離;v——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對于雙換能器來說,超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s,而因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2式中:s——超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離;a——兩換能器間距之半。式中:h——換能器距液面的距離;v——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對于雙換能器來說,超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s,而

s=（10-6）因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2（10-7）式中:s——超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離;a——兩換能器間距之半。任務(wù)三磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、