常用传感器工作原理(电涡流式)

第3章常用传感器的工作原理,2,何谓涡流？,在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。,3.5电涡流式传感器,当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）将集中在导体表面流通，尤其当频率较高时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。,3,交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度：,可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。,由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。,由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。,4,高频反射式,如图所示，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i1时，便产生交变磁通量1，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场2，与线圈的磁场变化方向相反，2总是抵抗1的变化，由于涡流磁场2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。,涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。,1MHz,5,一般讲，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，线圈阻抗是这些参数的函数，可写成,6,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。,利用变换量、等的综合影响，可以做成探伤装置等。,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；,7,基本结构：,1线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头,高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它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。,8,分析上表请得出结论：线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？,线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。,9,非接触电涡流式位移、振动传感器，具有非接触测量、线性范围较宽，灵敏度高、抗扰动能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。广泛应用于冶金、化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速、厚度、表面不平度等机械量的检测。,10,大直径电涡流探雷器,11,低频透射式,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e1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e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。试验表明e2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e2的变化即可测厚度。,12,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。,13,测量电路：,阻抗分压式调幅电路和调频电路,并联谐振回路,阻抗分压式调幅电路,是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z,因而传感线圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法,14,调频电路,调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。,当金属板至传感器之间的距离发生变化时，将引起线圈电感的变化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即可得到与成比例的输出电压。,15,应用,1.位移测量,主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。,如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。,2.转速测量,在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n）金属体，旁边安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数，求出转速：,3.电涡流探伤,可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。,探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。,16,高频反射式涡流厚度传感器,17,涡流轴心轨迹测量,18,涡流振动测量,涡流转速测量,19,20,利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时能否进行位移测量？为了能对物体进行