第四章電渦流傳感器

第四章電渦流傳感器2023/5/51第1頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)電渦流傳感器工作原理電渦流效應(yīng)演示

當(dāng)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。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流i1增大。2023/5/52第2頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電渦流的應(yīng)用

——在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅礁蓛?、高效的電磁爐2023/5/53第3頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)與激勵源頻率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。

圖4-1是電渦流傳感器工作原理示意圖。當(dāng)高頻（100kHz左右）信號源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L1時，將產(chǎn)生高頻磁場H1。如被測導(dǎo)體置于該交變磁場范圍之內(nèi)時，被測導(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)）。

2023/5/54第4頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四二、等效阻抗分析

檢測深度與激勵源頻率有何關(guān)系？

電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式為：

Z=R+jωL=f（i1、f、、、r、x）

（4-1）

如果控制上式中的i1、f、、、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測量還是非接觸式測量？

2023/5/55第5頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四等效阻抗與非電量的測量

檢測深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測深度。激勵源頻率一般設(shè)定在100kHz~1MHz。頻率越低，檢測深度越深。

間距x的測量：如果控制上式中的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，就可以用來檢測與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號、表面硬度等參數(shù)。

2023/5/56第6頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈第7頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電磁爐的工作原理高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。2023/5/58第8頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性

電渦流探頭外形交變磁場第9頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

2023/5/510第10頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四CZF-1系列傳感器的性能分析上表請得出結(jié)論：探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？

2023/5/511第11頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四大直徑電渦流探雷器2023/5/512第12頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)測量轉(zhuǎn)換電路一、調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz~1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(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，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。2023/5/513第13頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四部分常用材料對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振蕩器的振幅產(chǎn)生明顯的衰減嗎？為什么？

2023/5/514第14頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四二、調(diào)頻（FM）式電路(100kHz~1MHz）

當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x改變時，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，此頻率可直接用計算機(jī)測量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。

2023/5/515第15頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四并聯(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。2023/5/516第16頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四鑒頻器特性

使用鑒頻器可以將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo鑒頻器的輸出電壓與輸入頻率成正比機(jī)械工業(yè)出版社2023/5/517第17頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四鑒頻器在調(diào)頻式電路中的應(yīng)用設(shè)電路參數(shù)如上頁，計算電渦流線圈未接近金屬時的鑒頻器輸出電壓Uo0

；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？2023/5/518第18頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四本章作業(yè)：

P75：2、6、72023/5/519第19頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四休息一下2023/5/520第20頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)電渦流傳感器的應(yīng)用

一、位移測量

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)生一個交變磁場。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，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，可地計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。2023/5/521第21頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四位移測量儀

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、寬度等等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測量儀及探頭2023/5/522第22頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四4~20mA電渦流位移傳感器外形（參考德國圖爾克公司資料）2023/5/523第23頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四齊平式電渦流位移傳感器外形（參考德國圖爾克公司資料）齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。2023/5/524第24頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四V系列電渦流位移傳感器外形（參考浙江洞頭開關(guān)廠資料）齊平式2023/5/525第25頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四V系列電渦流位移傳感器性能一覽表

（摘自洞頭開關(guān)廠資料）

2023/5/526第26頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四某V系列電渦流位移傳感器的機(jī)械圖2023/5/527第27頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四四線制電渦流位移傳感器的接線說明該位移傳感器同時具備兩種動作輸出狀態(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，俗稱為常開輸出或常閉輸出模式。2023/5/528第28頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電渦流位移傳感器的應(yīng)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(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測量剩下的一個因素。因此電渦流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)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(jié)果。所以電渦流傳感器多用于定性測量。即使要用作定量測量，也必須采用逐點標(biāo)定、計算機(jī)線性糾正、溫度補(bǔ)補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

2023/5/529第29頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四位移傳感器的分類2023/5/530第30頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四偏心和振動檢測2023/5/531第31頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四通過測量間隙來測量徑向跳動2023/5/532第32頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四測量彎曲、波動、變形

對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動測量，須使用多個傳感器。2023/5/533第33頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀

測量冷軋板厚度2023/5/534第34頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四測量尺寸、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2023/5/535第35頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四測量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小2023/5/536第36頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四測量注塑機(jī)開合模的間隙間距2023/5/537第37頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四位移的標(biāo)定方法使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對照表，存入計算機(jī)，從而達(dá)到線性化的目的。2023/5/538第38頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電渦流位移傳感器的距離

與輸出電壓特性曲線1—量程為10mm2—量程為16mm3—量程為20mm2023/5/539第39頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四二、振動測量用電渦流探頭、調(diào)幅法測量簡諧振動時，探頭的輸出波形。2023/5/540第40頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四調(diào)頻法測量振動的波形2023/5/541第41頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四振動測量

汽輪機(jī)葉片測試

測量懸臂梁的振幅及頻率2023/5/542第42頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四三、轉(zhuǎn)速測量

若轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，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

2023/5/543第43頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四各種測量轉(zhuǎn)速的傳感器及其與齒輪的相對位置2023/5/544第44頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四齒輪轉(zhuǎn)速測量例：下圖中，設(shè)齒數(shù)z=48，測得頻率f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n

。2023/5/545第45頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量2023/5/546第46頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四四、鍍層厚度測量

由于存在集膚效應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測量時對照。

2023/5/547第47頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電渦流涂層厚度儀

2023/5/548第48頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四電渦流涂層厚度儀原理2023/5/549第49頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四測量金屬鍍層或絕緣層厚度

測量金屬鍍層或絕緣層厚度的計算方法有何區(qū)別？2023/5/550第50頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四五、電渦流式通道安全檢查門

安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。

2023/5/551第51頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四安檢門演示當(dāng)有金屬物體穿越安檢門時報警2023/5/552第52頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四六、電渦流表面探傷

手持式裂紋測量儀油管探傷2023/5/553第53頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四滾子渦流探傷機(jī)滾子渦流探傷機(jī)是由計算機(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30μm的表面微小裂紋。（參考無錫市通達(dá)滾子有限公司資料）2023/5/554第54頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四手提式探傷儀外形

（參考廈門愛德華檢測設(shè)備有限公司資料）2023/5/555第55頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四掌上型

電渦流

探傷儀2023/5/556第56頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四用掌上型電渦流探傷儀檢測飛機(jī)裂紋2023/5/557第57頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四臺式電渦流探傷儀2023/5/558第58頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四花瓣阻抗圖2023/5/559第59頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四本章作業(yè)：

P75：2、6、72023/5/560第60頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四休息一下2023/5/561第61頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)接近開關(guān)簡介接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。

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

2023/5/562第62頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)外形2023/5/563第63頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)外形2023/5/564第64頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)外形（續(xù)）2023/5/565第65頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四一、常用的接近開關(guān)分類常用的接近開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近開關(guān)，以下僅以電感接近開關(guān)稱呼之）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式

、超聲波式等。

2023/5/566第66頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四二、接近開關(guān)的特點

接近開關(guān)與被測物不接觸、不會產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便；缺點是觸點容量較小、輸出短路時易燒毀。

2023/5/567第67頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四三.接近開關(guān)的主要性能指標(biāo)：額定動作距離、工作距離、動作滯差、重復(fù)定位精度（重復(fù)性）、動作頻率等。2023/5/568第68頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四四、電渦流接近開關(guān)（電感接近開關(guān)）的工作原理

電渦流式接近開關(guān)俗稱電感接近開關(guān)，屬于一種開關(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能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。2023/5/569第69頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四五、電渦流接近開關(guān)原理框圖2023/5/570第70頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四六、常見接近開關(guān)的型號說明

（摘自浙江·洞頭開關(guān)廠資料）2023/5/571第71頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四七、接近開關(guān)的術(shù)語解釋（1）

1.動作（檢測）距離:動作距離是指檢測體按一定方式移動時，從基準(zhǔn)位置（接近開關(guān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)動作時測得的基準(zhǔn)位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關(guān)動作距離的標(biāo)稱值。

2.設(shè)定距離：指接近開關(guān)在實際工作中的整定距離，一般為額定動作距離的0.8倍。被測物與接近開關(guān)之間的安裝距離一般等于額定動作距離，以保證工作可靠。安裝后還須通過調(diào)試，然后緊固。

3.復(fù)位距離：接近開關(guān)動作后，又再次復(fù)位時的與被測物的距離，它略大于動作距離。

4.回差值:動作距離與復(fù)位距離之間的絕對值。回差值越大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就越強(qiáng)。2023/5/572第72頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的檢測距離與回差2023/5/573第73頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的術(shù)語解釋（2）標(biāo)準(zhǔn)檢測體：可與現(xiàn)場被檢金屬作比較的標(biāo)準(zhǔn)金屬檢測體。標(biāo)準(zhǔn)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(guān)檢測面直徑的2.5倍。2023/5/574第74頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四不同材料的金屬檢測物對電渦流接近開關(guān)動作距離的影響（以Fe為參考金屬）

電渦流線圈的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。對于非磁性材料，被測體的電導(dǎo)率越高，則靈敏度越高；被測體是磁性材料時，其磁導(dǎo)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。2023/5/575第75頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的術(shù)語解釋（3）接近開關(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）的接近開關(guān)則需要把感應(yīng)頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。2023/5/576第76頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的安裝方式齊平式安裝非齊平式安裝2023/5/577第77頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的術(shù)語解釋（4）響應(yīng)頻率f：按規(guī)定，在1秒的時間間隔內(nèi)，接近開關(guān)動作循環(huán)的最大次數(shù)，重復(fù)頻率大于該值時，接近開關(guān)無反應(yīng)。響應(yīng)時間t：接近開關(guān)檢測到物體時刻到接近開關(guān)出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時間之差?？捎霉綋Q算：

t=1/f2023/5/578第78頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四響應(yīng)頻率及響應(yīng)時間示意圖2023/5/579第79頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的術(shù)語解釋（5）輸出狀態(tài)：常開/常閉型接近開關(guān)當(dāng)無檢測物體時，對常開型接近開關(guān)而言，由于接近開關(guān)內(nèi)部的輸出三極管截止，所接的負(fù)載不工作（失電）；當(dāng)檢測到物體時，內(nèi)部的輸出級三極管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。對常閉型接近開關(guān)而言，當(dāng)未檢測到物體時，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。2023/5/580第80頁，共90頁，2023年，2月20日，星期四接近開關(guān)的術(shù)語解釋（6）

常用的輸出形式有：

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，讀者可查閱以下有關(guān)資料。2023/5/581第81頁，共90頁，20