电涡流式传感器.ppt

8.3 电涡流式传感器 l涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产 生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所 以称之为电涡流或涡流，这种现象就称为涡流效应。 l电涡流 大小与金属体的电阻率、磁导导率u、厚度t及金属 导导体距离x、励磁电电流频频率等有关。 l可以做成位移、振幅、厚度、表面温度、材料判别别、应应力 、硬度等传传感器。 l特点：测测量范围围大、灵敏度高、抗干扰扰能力强、不受油污污 等介质质影响，结结构简单简单 、安装方便，可实现实现 非接触测测量 。 电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线 圈与金属板的距 离x 减小时，电 涡流线圈的等效 电感l 减小，等 效电阻r 增大。 感抗xl 的变化比 r 的变化 大 得 多，流过电涡流 线圈的电流 i1 增 大。 电涡流式传感器 8.3.1 电涡流式传感器的工作原理 8.3.2 电涡流式传感器的类型 8.3.3 电涡流式传感器的应用 8.3.1 电涡流式传感器的工作原理 1. 基本原理 2等效电路 3. 测量电路 1. 基本原理 线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号 is 正弦交变磁场 h1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈 ,改变了电感 电感变化程度取于线圈l的外形尺寸，线圈l至金属板之间的距离， 金属板材料的电阻率和磁导率 以及is的频率等 。 如下图a所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通 有交变电流i1时，线圈周围就产生一个交变磁场h1。置于这一磁 场中的金属导体就产生电涡流i2，电涡流也将产生一个新磁场h2 ，h2与h1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻 抗发生变化。 我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样 就可得到如图b的等效电路。 a)电涡流传感器原理图 b)电涡流传感器等效电路图 2等效电路 r2为电涡流短路环等效电阻； ra为短路环的外径； ri为短路环的内径 h为电涡流的深度 基尔霍夫电压定律 等效 阻抗 式中，req为产生电涡流效应后线圈的等效电阻；leq为产生电 涡流效应后线圈的等效电感 分析： l由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部(等效电阻)增大 、虚部(等效电感)减小，因此，线圈的等效品质因数下 降， 即： l电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数m2的函数 。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此 ，电涡流式传感器属于(互感式)电感式传感器。 3. 测量电路 (1) 调频式测量电路 (2) 调幅式测量电路 (1) 调频式测量电路 工作原理：传感器线圈接入lc振荡回路，当传感器与被测导 体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致 振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=l(x), 该 频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-v变换，用数字电 压表测量对应的电压。振荡器的频率为： (2) 调幅式测量电路 工作原理：由传感器线圈l、电容器c和石英晶体组成。 石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个 频率（f0）稳定的激励电流io，lc回路输出电压 式中, z为lc回路的阻抗。 l当金属导体远离或去掉时，lc并联谐振回路谐振频率 即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大， 谐振回 路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈 时，线圈的等效电感l发生变化，导致回路失谐，从而 使输出电压降低，l的数值随距离x的变化而变化。因 此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、 检波后 ， 由指示仪表直接显示出x的大小。 l除此之外， 交流电桥也是常用的测量电路。 8.3.2 电涡流式传感器的类型 涡流大小与导体电阻率、磁导率、厚度t 、线圈与导体的 距离以及线圈的激磁电流频率 等参数有关。磁场变化频率越高 ，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h 可用下式表示: 由上式可知涡流穿透深度h与激励电流频率有关，所以涡 流传感器根据激励频率高低，可以分为高频反射式或低频透射 式两大类。 为导体电阻率(cm)； r为导体相对磁导率； 为交变磁场频率(hz) 1. 线圈 2. 框架 3框架衬套 4 支架 5电缆 6插头 1. 1. 高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 被测导体的材料对传感器特性的影响 被测导体的尺寸和形状对测量的影响 被测导体表面镀层对测量精度的影响 传感器的安装对测量的影响 影响因素 2. 低频透射式涡流传感器 透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线 这种传感器采用低频 激励，因而有较大的贯 穿深度，适合于测量金 属材料的厚度。右图所 示为这种传感器的原理 图和输出特性。 工作原理：传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被 测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈 l1两端，于是在接收线圈l2两端将产生感应电压u2，它的大 小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相 对位置有关。若两线圈间无金属导体，则l2的磁力能较多穿 过l2，在l2上产生的感应电压u2最大。 同种材料，当选用不同的测试频率时，响应曲线如下： l分析：频率高，线性度差，在t较小的情况下，斜率大， 灵敏度高。频率低，线性度好，斜率小，灵敏度低。 l结论：测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较 低的频率。 f1 f2 f3 f3 f2 f1 厚度 输出 测试频率与材料关系 l对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不 同时，渗透深度q渗的值也不相同，于是又引 起et曲线形状的变化，为使测量不同的材料 时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保 持q渗不变，这时应该相应地改变f。 l测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的 f(500hz)，而测 较大的材料(如黄铜、铝)时， 则选用较高的f (2khz)，从而保证传感器在测 量不同材料时的线性度和灵敏度。 8.3.3 涡流式传感器的应用 被 测 参 数变 换 量特 征 位移、厚度、振动 （1） 非接触测量，连续测量 （2） 受剩磁的影响。 表面温度、电解质 浓度、材质判别、 速度（温度） （1） 非接触测量，连续测量 ； （2） 对温度变化进行补 偿 应力、硬度 （1） 非接触测量，连续测量 ； （2） 受剩磁和材质影响 探伤 可以定量测量 1位移测量 (a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图 (b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图 (c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图 传感器 传感器传感器 2 振幅测量 (a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图 (b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图 (c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近 3厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图 4转速测量 f频率值(hz)； n旋转体的槽(齿)数； n被测轴的转速(rmin)。 5. 涡流探伤 l可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以 及用于焊接部位的探伤等。 l综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的 变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探 伤的目的。 l在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度 的，在测量线圈上就会产生调制频率信号。 l缺陷、裂缝会产生较高的频率调幅波。 a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号 在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。 为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过， 而将干扰频率信号衰减。 用涡流探伤时的测量信号 涡流探伤涡流探伤 电感接近开关 电感接近开关（电涡流式接近开关）属于一种开 关量输出的位置传感器。