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传感器
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徐科
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3.4 电涡流式传感器,涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i 时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1， i1在金属体内是闭合的，所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,3.4 电涡流式传感器,当块状导体置于变化的磁场中或在固定磁场中运动时，导体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在导体内闭合的，称为涡流。,穿透深度,：导体电阻率( cm r ：导体相对磁导率 ： 交变磁场频率(Hz),式中：,电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到,干净、高效的 电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,大直径电涡流探雷器,演示实验,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器3.4.2 低频透射式涡流传感器3.4.3 涡流式传感器的应用,高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于非接触式位移测量。,高频反射式电涡流传感器,一般讲，线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率 、磁导率 、线圈与金属导体的距离 以及线圈激励电流的频率 等参数有关 。即，线圈阻抗,Z是这些参数的函数，可写成,若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。,涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。,其应用大致有下列四个方面：,利用位移 作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率 作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器利用磁导率 作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；利用变换量 、 、 等的综合影响，可以做成探伤装置等。,3.4.1 高频反射式涡流传感器,1. 基本原理 2等效电路3. 传感器的结构 4. 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 i1 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的频率等,把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M它随线圈与导体间距x的减小而增大。,电涡流传感器等效电路,2 等效电路,等效电路,电感L1表示金属板对涡流呈现的电感效应电阻R1表示在金属板上的涡流损耗互感系数M表示L1与原线圈L之间的相互作用R为原线圈L的损耗电阻C为线圈与装置的分布电容,根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：,传感器线圈的等效阻抗为：,线圈的等效电阻和电感为：,当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。,表3.4.1 不同频率时的感抗分量与电阻分量,计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间的数量关系可以进行估计。,金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈按一定方式结合起来的总效应来等效。,由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。,1 线圈 2 框架 3 衬套4 支架 5 电缆 6 插头,3. 传感器的结构,4. 测量电路,调幅式测量电路调频式测量电路,一、调幅式（AM）电路,石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz 1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。,部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数,人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？,二、调频（FM）式电路(100kHz1MHz）,当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo 。,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器3.4.2 低频透射式涡流传感器3.4.3 涡流式传感器的应用,3.4.2 低频透射式涡流传感器,透射式涡流传感器原理,测厚的依据: E的大小间接反映了M的厚度t,线圈感应电势与厚度关系曲线,发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。,线圈L2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即,式中：被测金属板的厚度； h贯穿深度。,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。 测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器3.4.2 低频透射式涡流传感器3.4.3 涡流式传感器的应用,电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。,1位移测量,位移测量仪,位移测量包含： 偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。,数显位移测量仪及探头,420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）,齐平式电涡流位移传感器外形 （参考德国图尔克公司资料）,齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。,V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）,齐平式,测量弯曲、波动、变形,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪,测量冷轧板厚度,测量尺寸、公差及零件识别,通过测量间隙来测定 热膨胀引起的上下平移,测量封口机工作间隙,间隙越大，电涡流越小,测量注塑机开合模的间隙,间距,2、转速测量,若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为,频率测量法的测量原理：在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而计算出实际转速。设固定的测量时间Tc（min)，计数器读取的脉冲个数m个，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60,各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置,齿轮转速测量,例：下图中，设齿数z =48，测得频率 f=120Hz求该齿轮的转速n 。,电动机转速测量,3、镀层厚度测量,由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。,电涡流涂层厚度仪,电涡流涂层厚度仪原理,测量金属镀层或绝缘层厚度,测量金属镀层或绝缘层厚度的计算方法有何区别？,4、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,滚子涡流探伤机,滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深 30m的表面微小裂纹。,（参考无锡市通达滚子有限公司资料）,手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）,掌上型电涡流探伤仪,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,台式电涡流探伤仪,花瓣阻抗图,1、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据 的基本原理制成的，其次级绕组都用 形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。变压器同名端反向2、闭磁路变隙式电感传感器工作时，衔铁与被测物体连接。当被测物体移动时，引起磁路中气隙 发生相对变化，从而导致圈的 变化。尺寸磁阻,在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与 成正比，与 _ 成正比，与磁回路中 成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式 _ 表示。绕组匝数穿过线圈的磁通磁阻,高频反射式电涡流传感器实际是由（10）和（11）两个部分组成的系统，两者之间通过电磁感应相互作用，因此，在能够构成电涡流传感器的应用场合中必须存在（12）材料（10）线圈；（11）被测体or 导体；（12）金属；,电涡流传感器的工作原理。当线圈通入交变电流I时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引
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