第六讲-电涡流传感器.ppt

,第六讲电涡流传感器,一、电涡流传感器的工作原理二、涡流效应演示三、等效阻抗电路四、电涡流传感器的结构和分类五、电涡流传感器的测量电路六、电涡流传感器的使用注意事项七、电涡流传感器的应用,河南工业职业技术学院电气工程系,一、电涡流传感器的工作原理,电涡流传感器的工作基础：涡流效应,1、电涡流：成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流。,2、电涡流检测：电涡流式传感器结构简单，可实现非接触测量，在工业检测中的应用越来越广泛。例如用来测量位移、厚度、振动、速度、流量和硬度等。,二、涡流效应演示,当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面（趋肤效应）。,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度d、金属板与线圈的距离x、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。,由电涡流所造成的能量损耗将使线圈电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用将使线圈电感量减小，从而引起线圈等效阻抗Z及等效品质因数Q值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，均可通过测量线圈的等效电阻R、等效电感L、等效阻抗Z及等效品质因数Q来测量。,三、等效阻抗分析,电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jL=f（f、r、x）式（2-6-1）,传感器线圈的等效阻抗为：,间距x的测量：如果控制上式中的f、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：如果控制x、f不变，就可以用来检测与表面电阻率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。,四、电涡流传感器的结构和分类,1电涡流线圈2探头壳体3壳体上的位置调节螺纹4印制线路板5夹持螺母6电源指示灯7阈值指示灯8输出屏蔽电缆线9电缆插头图2-6-2电涡流传感器的结构,1、电涡流传感器的结构,CZF-1系列传感器的性能,采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。,探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？,电涡流接近开关,2、电涡流传感器的分类,电涡流传感器按取用电源频率不同可以分为高频反射式和低频透射式两种。高频反射式电涡流传感器的原理在前面的内容中已做过介绍，在此不再重述。以下再简单介绍低频透射式电涡流传感器的工作原理。,图2-6-3透射式涡流厚度传感器结构原理图,在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1,在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时,则L1上产生交变磁通1,若两线圈间无金属板,则交变磁场直接耦合至L2中,L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间,则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。,此时磁场能量受到损耗,到达L2的磁通将减弱为,从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚,涡流损失就越大,U2电压就越小。因此,可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度,透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm,分辨率为0.1m,线性度为1%。,五、电涡流传感器的测量电路,1.谐振电路调幅式电路,图2-6-3调幅式测量电路原理框图,涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）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）。,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。,2.谐振电路调频式电路,使用鉴频器可以将f转换为电压Uo,鉴频器的输出电压与输入频率成正比,机械工业出版社,鉴频器特性,六、电涡流传感器的使用注意事项,1、电涡流轴向贯穿深度的影响,涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的衰减深度t可以表示为,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。,导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。电阻率大的材料应选用较高的励磁频率，电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围，电涡流密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近,涡流的密度非常小，愈靠近线圈的外径处，涡流的密度愈大，而在等于线圈外径1.8倍处,涡流将衰减到最大值的5。为了充分利用涡流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.8倍；而当被测物体为圆柱体时，它的直径应大于线圈外径的3.5倍。,2、电涡流的径向形成范围,电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少,当线圈与导体之间距离大于线圈半径时，电涡流强度已很微弱。为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常取距离与线圈外径的比值为0.050.15。,3、电涡流强度与距离的关系,由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流，为了保证测量精度，测量时应禁止其它金属物体接近传感器线圈。,4、非被测金属物的影响,七、电涡流传感器的应用,1、电涡流式传感器测位移,使用电涡流式传感器可以测量各种形状试件的位移量，如图2-42所示。测量位移的范围为01mm或030mm。一般的分辨率为满量程的0.1，其绝对值可达0.05m(满量程为05m)。,凡是可以变成位移变化的非电量，如钢水液位、纱线张力和流体压力等，都可使用涡流式传感器来测量。,2、电涡流式传感器测振幅,图2-6-5振幅测量原理图1试件2传感器,如图2-6-5所示电涡流式传感器还可以用来测量各种振动的振幅。为了研究机床等各部位的振动，可用多个电涡流传感器同时检测各点的振动情况。,3、电涡流式传感器测转速,图2-6-6电涡流式传感器测转速,当转轴转动时，传感器与转轴之间的距离在周期地改变着。于是它的输出信号也周期性地发生变化，此输出信号经放大、变换后。可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开Z个槽，频率计的读数为f，则转轴的转速n的数值为：,在金属旋转体上开一条或数条槽，或做成齿，旁边安装一个电涡流式传感器，如图2-6-6所示。,4、电涡流式传感器测厚度,涡流式传感器也可以用来检测金属板厚度和非金属板的镀层厚度，如图2-6-7所示。,图2-6-7厚度测量原理图1试件2传感器,当金属板厚度变化时，将使金属板和传感器间的距离改变，从而引起输出电容的变化。由于在