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文档简介

1、第五章 电涡流式传感器在电路中,我们学过:当导体处于交变磁场中时,铁心会因电磁感应而在内部产生自行闭合的电涡流而发热。因此,为了减小电涡流,防止发热,变压器和交流电动机的铁心都是用硅钢片叠制成的。消费生活中也可以利用电涡流做有用的任务,比如电磁炉、中频炉、高频淬火等都是利用电涡流原理而任务的。电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。1. 任务原理 金属导体置于变化着的磁场中,导体内就会产生感应电流,电流就像水中的漩涡一样在导体内转圈,称之为电涡流或涡流。这种景象称为涡流效应。如图3-35. a) b)图3-35 涡流式传感器根本原理图一个通有交变电流I1的传感器线圈,由于电流的变化,在

2、线圈周围就产生一个交变磁场H1,当被测金属置于该磁场范围内,金属导体内便产生涡流I2,涡流也将产生一个新磁场H2 , H2与H1方向相反,因此抵消部分原磁场,从而导致线圈的电感量L、阻抗Z和质量因数Q发生变化 。 线圈与金属导体之间存在磁性联络。 涡流效应的特性:由于涡流效应在金属导体内产生电涡流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外表,这称为集肤效应。电涡流具有集肤效应,它与鼓励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率越高,电涡流的浸透深度就越浅,集肤效应就越严重。由于存在集肤效应,电涡流方法只能检测导体外表的各种物理参量。改动频率f,可控制检测深度。鼓励

3、源频率普通为100kHz1MHz.为了使电涡流深化金属导体深处,或对间隔较远的金属体进展检测,可采用十几千赫甚至几百赫兹的低频鼓励频率。a) b)涡流式传感器根本原理图2. 等效电路及其分析把导体笼统地看作一个短道路圈,那么线圈与导体间的关系可用图3-35b)所示的电路来表示。根据基尔霍夫定律,可列出电路方程组为 1 11 12R Ij L Ij MIU012222MIjILjIR 3-41 解此方程组,得传感器任务时的等效阻抗为222222221222222221.LRMLLjLRMRRIUZ3-42222222221222222221LRMLLLLRMRRR等效电阻、等效电感分别为3-43

4、3-44线圈的质量因数为 2222222122222222121111LRMRRLRMLLRLRLQ3-45可以看出,当被测参数变化,既能引起线圈阻抗Z变化,也能引起线圈电感L和线圈质量因数Q值变化。而这些参数的变化量的大小与导体的电阻率、磁导率和线圈与导体的间隔x以及线圈鼓励电流的角频率和导体的外表要素r等参数有关,都将经过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联络。或者说,线圈组抗是这些参数的函数,可写成Z = f、x、r、 控制其中大部分参数恒定不变,只改动其中一个参数,这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。例如被测资料的情况不变,鼓励电流的角频率不变,那么阻抗Z就成为间隔x的单值函数。利用此原理

5、便可制成涡流位移传感器。涡流位移传感器原理:实验证明,当间隔x减小时,电涡流线圈的等效电感L减小,等效电阻R增大。线圈的感抗XL的变化比R的变化快,那么涡流线圈的阻抗是减小的,线圈中的电流i1是增大的。反之,那么i1减小。而且由于线圈的质量因数QQ=XL/R=L/R)与等效电感成正比,与等效电阻成反比,所以当电涡流增大时,Q下降很多。利用此原理可以制造多种电涡流传感器,如位移丈量、转速丈量、接近开关等。3、电涡流式传感器的构造电涡流式传感器主要是一个绕制在框架上的绕组,常用的是矩形截面的扁平绕组。导线选用电阻率小的资料,普通采用高强度漆包线,银线或银合金线。框架要求采用损耗小、电性能好、热膨胀

6、系数小的资料,普通选用聚四氟乙烯、高频陶瓷等。 以CZF型涡流传感器为例,如图3-40所示。图3-40 CZF型涡流式传感器的构造图这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的,并利用其耦合程度的变化作为丈量值,无论是被测体的物理性质,还是它的尺寸和外形都与丈量安装的特性有关。作为传感器的丈量安装的线圈仅为实践传感器的一半,而另一半是被测体。 CZF型传感器的性能见表3-1。4、丈量转换电路电涡流探头与被测物之间的互感量变化可以转换为传感器线圈阻抗Z和质量因数Q等参数的变化。转换电路的作用是把这些参数转换为电压或电流的输出。1电桥电路振荡器检波器R1R2C1C2L1L2A图3-41 电桥电路原理

7、图电桥电路中线圈L1、L2为传感器线圈,它们与电容C1、C2,电阻R1、R2组成电桥的四个臂。振荡器提供电源,振荡频率根据需求选择。当线圈阻抗变化时,电桥失去平衡。不平衡输出经线性放大和检波,得到输出。晶振高频放大幅值检波LC0UiRIi低频放大0U0U0Ux图3-42 高频调幅式丈量转换电路调幅式是以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测导体之间的关系。图3-42是高频调幅式电路。2调幅式电路石英晶体振荡器经过耦合电阻R,向由探头线圈和一个微调电容C0组成的并联谐振回路提供一个稳幅的高频鼓励信号,相当于一个恒流源。丈量时,先调理C0,使LC0的谐振频率等于石英晶体振荡器的频率f0,此时谐振

8、回路的Q值和阻抗Z也最大,恒定电流Ii在LC0并联谐振回路上的压降U0也最大。ZIU10当被测体为非磁性金属时,物体接近探头时,由于涡流效应,线圈的等效电感L减小,并引起线圈质量因数Q值的下降,并联谐振回路谐振频率不再等于石英晶振的频率而发生失谐形状,使输出电压U0大大降低。当被测体为磁性金属时,探头线圈的电感量略为增大,但由于被测磁性金属体的磁滞损耗,使探头线圈的Q值也大大下降,输出电压U0也降低。 在以上两种情况下,被测体与探头的间距越小,输出电压就越低。经高频放大、检波、低放之后,输出的直流电压反映了被测物的位移量。以上几种情况见图3-42-10OU1OU2OU3OU1f2f3f0f02

9、13图3-42-1 定频调幅式的谐振曲线0-探头与被测物间距很远时1-非磁性金属与探头间距较小时2-非磁性金属、间距与探头线圈直径相等时3-磁性金属、间距较小时3调频式电路所谓调频式就是将探头线圈的电感量L与微调电容C0构成LC振荡器,以振荡器的频率f作为输出量。此频率可经过f/V转换器又称鉴频器转换成电压,由表头显示。也可以直接将频率信号TTL信号送到计算机的计数定时器,测出频率。如图3-43.LC0LC振荡器高频放大器限幅器鉴频器显示器记录仪xx0LL0ff0UU0功率放大器TTL电平计算机计数定时器图3-43调频式丈量转换电路原理图LC0LC振荡器高频放大器限幅器鉴频器显示器记录仪xx0

10、LL0ff0UU0功率放大器TTL电平计算机计数定时器并联谐振回路的谐振频率为021LCf当电涡流线圈与被测体的间隔x改动时,电感量L随之改动,引起LC振荡器的输出频率改动,此频率可直接用计算机丈量。用模拟仪表显示,必需用鉴频器,将频率f转换为电压U。5、电涡流传感器的运用1位移丈量 某些旋转机械,如高速旋转的汽轮机对轴向位移的要求很高。当汽轮机运转时,叶片在高压蒸气推进下高速旋转,它的主轴接受宏大的轴向推力。假设主轴的位移超越规定值时,叶片有能够与其他部件碰撞而断裂。利用电涡流原理可以丈量汽轮机主轴的轴向位移、电动机轴向窜动等。电涡流轴向位移监测维护安装电涡流探头的安装如图444所示。图3-

11、44 轴向位移的监测1-旋转设备汽轮机 2-主轴 3-轴联器 4-电涡流探头 5-发电机 6-基座 7-夹紧螺母在设备停机时,将探头安装在与联轴器端面2mm间隔的机座上,调理二次仪表使示值为零。当汽轮机启动后,长期监测其轴向位移量。可以发现,由于轴向推力和轴承的磨损而使探头与联轴器端面的间隙减小,二次仪表的输出电压从零开场增大。可调整二次仪外表板上的报警设定值,使位移量到达危险值时,二次仪表发出报警信号或发出停机信号以防止事故发生。上述丈量属于动态丈量。2振动丈量 电涡流式传感器可以无接触地丈量各种振动的振幅、频谱分布等参数。在研讨机器振动时,经常采用多个传感器放置在机器不同部位进展检测,得到

12、各个位置的振幅值和相位值,从而画出振型图,丈量方法如图445所示。图4-45 振幅丈量b长轴多线圈丈量a径向振动丈量c叶片振动丈量3转速丈量 假设旋转体上已开有一条或数条槽或做成齿状,那么可在旁边安装一个电涡流式传感器,如图446所示。当转轴转动时,传感器周期地改动着与旋转体外表之间的间隔。于是它的输出电压也周期性地发生变化,此脉冲电压信号经放大、变换后,可以用频率计测出其变化的反复频率,从而测出转轴的转速,假设转轴上开z个槽(或齿),频率计的读数为f(单位为Hz),转速按下式求得:zfn603-46图3-46 转速丈量(a) 带凹槽转轴(b) 带凸槽转轴4平安检测图3-47 电涡流式通道平安

13、检查门简图图3-48 电涡流式通道平安检查门电路原理框图平安门原理:平安门原理:L11、L12为发射线圈,为发射线圈,L21、L22为接纳为接纳线圈,密封在门框内。晶振产生的音频信号经过线圈,密封在门框内。晶振产生的音频信号经过L11、L12在线圈周围产生同频率的交变磁场。由于在线圈周围产生同频率的交变磁场。由于L11、L12与与L21、L22相互垂直,成电气正交形状,无磁路相互垂直,成电气正交形状,无磁路交链,交链,U0=0。当有金属物体经过。当有金属物体经过L11、L12构成的交变构成的交变磁场磁场H1时,交变磁场就会在该金属导体外表产生电涡时,交变磁场就会在该金属导体外表产生电涡流。电涡

14、流也将产生一个新的微弱磁场流。电涡流也将产生一个新的微弱磁场H2,但与,但与L21、L22不再正交,因此可以在不再正交,因此可以在L21、L22中感应出电压。中感应出电压。计算机根据感应电压的大小确定金属物体的大小。计算机根据感应电压的大小确定金属物体的大小。 通常配置通常配置x光扫描仪进展成像扫描。更严厉的用弱能光扫描仪进展成像扫描。更严厉的用弱能量的中子发射管和质谱仪来检测密封的箱包中的爆炸量的中子发射管和质谱仪来检测密封的箱包中的爆炸物等化学物品。物等化学物品。 5外表探伤7探雷4镀层厚度丈量图3-49 输油管外表裂纹检测 利用电涡流传感器可以检查金属外表(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的

15、缺陷等。检测过程中,传感器与被测导体坚持间隔不变。由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化,使电涡流变小,从而引起输出电压突变。 图3-49是用电涡流探头检测高压输油管外表裂纹的表示图。两只导向辊以一样的方向旋转,油管在它们的驱动下,匀速地在楔形电涡流探头下方转动,并向前挪动。探头对油管外表逐点扫描,得到图3-50的输出信号。当油管存在裂纹时,电涡流所走的路程大为添加(见图3-49b),所以电涡流忽然减小,输出波形如图3-50中的“尖峰所示。该信号非常紊乱,用肉眼很难分辨出缺陷性质。 将该信号经过带通滤波器,滤去外表不平整、抖动等要素呵斥的异常输出后,得到图3-50b中的两个尖峰信号。调理电压比

16、较器的阈值电压,得到真正的缺陷信号。图3-50 探伤输出信号图3-51 金属镀层厚度检测 6金属镀层厚度检测用电涡流原理可以丈量塑料外表金属镀层的厚度,以及印刷电路版铜箔的厚度等。如图3-51所示。由于存在集肤效应,镀层越簿,电涡流越小。根据输出的电压大小确定厚度。事先需用电涡流仪对规范厚度的镀层作出“厚度-输出电压 的标定曲线来对照。7探雷8接近开关简介接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的间隔(几毫米至几十毫米)内检测有无物体接近。当物体与其接近到设定间隔时,就可以发出“动作信号,而不象机械式行程开关那样,需求施加机械力。它给出的是开关信号(高电平或低电平),多数接近开关具有较大的负载才

17、干,能直接驱动中间继电器。接近开关的中心部分是“感辨头,它必需对正在接近的物体有很高的感辨才干。在生物界里,眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线。而电涡流探头就能感辨金属导体的接近。接近开关可以用于高速计数、测速,确定金属物体的存在和位置,丈量物位和液位,用于人体维护和防盗以及无触点按钮等。接近开关的定位精度、操作频率、运用寿命、安装调整的方便性和耐磨性、耐腐蚀性等也是普通机械式行程开关所不能相比的。 接近开关的外形如图3-52和3-53所示,可根据不同的用途选择不同的型号。图中a便于调整与被测物的间距,b、c可用于板材的检测,d、e可用于线材的检测。图3-52 接近开关的构造方式一a)圆柱形

18、b)平面安装型图3-53 接近开关的构造方式二d)方形e)贯穿形接近开关的特点接近开关的特点 与机械开关相比,接近开关具有如下特点:与机械开关相比,接近开关具有如下特点: 非接触检测,不影响被测物的运转工况;非接触检测,不影响被测物的运转工况; 不产活力械磨损和疲劳损伤,任务寿命长;不产活力械磨损和疲劳损伤,任务寿命长; 呼应快,普通呼应时间可达几毫秒或十几毫秒;呼应快,普通呼应时间可达几毫秒或十几毫秒; 采用全密封构造,防潮、防尘性能较好,任务采用全密封构造,防潮、防尘性能较好,任务可靠性强;可靠性强; 无触点、无火花、无噪声,所以适用于要求防无触点、无火花、无噪声,所以适用于要求防爆的场所

19、爆的场所(防爆型防爆型); 输出信号大,易于与计算机或可编程控制器输出信号大,易于与计算机或可编程控制器(PLC)等接口;等接口; 体积小,安装、调整方便。体积小,安装、调整方便。 缺陷缺陷:触点容量较小,输出短路时易烧毁。触点容量较小,输出短路时易烧毁。接近开关的主要特性接近开关的主要特性 1额定动作间隔额定动作间隔 在规定的条件下所测定到的接近开关的动作间隔在规定的条件下所测定到的接近开关的动作间隔(mm); 2任务间隔任务间隔 接近开关在实践运用中被设定的安装间隔。在此间接近开关在实践运用中被设定的安装间隔。在此间隔内,接近开关不应受温度变化、电源动摇等外界干隔内,接近开关不应受温度变化

20、、电源动摇等外界干扰而产生误动作;扰而产生误动作; 3动作滞差指动作间隔与复位间隔之差的绝对值。滞差大,对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰才干就强;滞差特性4反复定位精度(反复性) 它表征多次丈量动作间隔。其数值的离散性的大小普通为动作间隔的15。离散性越小,反复定位精度越高。 5动作频率 指每秒延续不断地进入接近开关的动作间隔后又分开的被测物个数或次数。假设接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时,接近开关就来不及呼应物体的运动形状,有能够呵斥漏检。接近开关的规格及接线方式图3-54所示是接近开关的一种典型的三线制接线方式。图3-54 三线制接近开关图3-55 三线制接近开关之NPN

21、、OC门常开输出电路当被测物体未接近接近开关时,Ib=0,OC门截止,OUT端为高阻态(接入负载后为高电平);当被测体接近到动作间隔时,OC门的输出端对地导通,OUT端对地为低电平。将中间继电器跨接在+VCC与OUT端上时,KA就处于吸合(得电)形状。图3-56 三线制接近开关输出波形接近开关的运用实例消费工件加工定位在机械加工自动消费线上,可以运用接近开关进展工件的加工定位,图3-57是它的表示图。当传送机构将待加工的金属工件运送到接近“减速接近开关的位置时,该接近开关发出“减速信号,传送机构减速,以提高定位精度。当金属工件到达“定位接近开关面前时,定位接近开关发出“动作信号,使传送机构停顿

22、运转。紧接着,加工刀具对工件进展机械加工。图3-57 工件的加工定位1-机床2-刀具3-工件4-加工位置5-减速接近开关6-定位接近开关7-传送机构8-计数器及位置控制器图3-58 工件的加工定位的感辨头及调幅式转换电路工件定位感辨头的内部任务原理:当金属体接近感辨头时,随着金属外表电涡流的增大,电涡流线圈的Q值越来越低,由于振荡器的能量被金属体所吸收,所以其输出电压U01转来越低,甚至停振,使U01=0。比较器将U01与基准电压UR作比较。当U01 UR时,比较器翻转,输出高电平,报警器报警闪亮,执行机构动作停机。在该机构中,还可将“减速接近开关的信号接到计数器输入端。当传送带上的每一个工件从该开关经过时,接近开关动作一次,输出一个计数脉冲,计数器加1。计数时涉及抖动导致的反复读数的问题,由于接近开关的滞差特性而处

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