电感电涡流精品课件

1、电感电涡流第1页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五 工作原理 图 电涡流式传感器原理图（a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体 第三节电涡流式传感器电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关, 又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关, 还与线圈与导体间的距离x有关。第2页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中产生闭合环形电流即感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场

2、H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关, 又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关, 还与线圈与导体间的距离x有关。第3页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。 测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。 Z=F(,r,f,x) 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关

3、系式为(4-40) 第4页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五一、电涡流式传感器的复阻抗等效电阻R等效电感L原理图等效电路等效阻抗距离 互感M 模型化：可以把电涡流短路环等效为一匝短路线圈，电阻为R2电感为L2第5页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围 线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数, 又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时, 电涡流密度J与半径r的关系曲线见图 4 - 21 所示。 由图可知(图中J#-0为金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值。 Jr为半径r处的金属导体表面电涡

4、流密度。)： 电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5 倍范围内, 且分布不均匀。 电涡流密度在短路环半径r=0处为零。 第6页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五线圈金属被测物第7页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。 可以用一个平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 2. 电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明, 当x改变时, 电涡流密度发生变化, 即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用, 可以得

5、到金属导体表面的电涡流强度为 (4 - 40)式中: I1线圈激励电流; I2金属导体中等效电流; 第8页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五 x线圈到金属导体表面距离; ras线圈外径。 根据上式作出的归化曲线如图 4 - 22 所示。 以上分析表明: 电涡强度与距离x呈非线性关系, 且随着x/ras的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时, 只有在x/ras (一般取 0.050.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。 第9页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五第10页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五 3.

6、电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应, 电涡流沿金属导体纵向的H1分布是不均匀的, 其分布按指数规律衰减, 可用下式表示： 式中: d金属导体中某一点至表面的距离; Jd沿H1轴向d处的电涡流密度; J0金属导体表面电涡流密度, 即电涡流密度最大值; h电涡流轴向贯穿深度（趋肤深度）。 由公式可知, 电涡流密度主要分布在表面附近，改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。 第11页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五二、高频反射式电涡流传感器金属物体 高频反射式电涡流传感器利用线圈与金属导体之间的磁性耦合程度的变化测量距离。 金

7、属物体的电导率越高，测量灵敏度越高。线圈框架框架衬套固定螺母电缆第12页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五三、低频透射式电涡流传感器接收线圈发射线圈涡流及磁场 低频激励，有较大的贯穿深度，适于测量厚度，金属板越厚，接收侧磁场越弱，接收线圈的感应电压u2 越小。发射线圈的电源频率取1kHz左右。发射磁场接收侧磁场第13页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五 低频透射式涡流厚度传感器 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

8、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%。 第14页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五四、测量电路（一）电桥电路两个差动涡流线圈第15页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五（二）谐振法测量电路并联谐振的谐振频

9、率：并联谐振时的阻抗最大： 线圈电感的变化，会引起（1）振荡电路阻抗变化； （2）谐振频率变化。因此，测量这两种的任一种都可以测出电感量的变化。（1）调幅式测量电路（L Z变化 输出变化）第16页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五（2）调频式测量电路（L 振荡频率变化）传感器分布电容第17页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五五、电涡流式传感器的应用（一）测量位移被测零件涡流传感器被测零件涡流传感器涡流传感器机械轴振形图测量机械轴（二）测量振动动态位移测量第18页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五（三）测量转速被测零件涡流传感器被

10、测零件涡流传感器 设测出脉冲频率为f（Hz），被测零件齿数为N，则轴的转速为：（转/分）第19页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽, 在距输入表面d0 处设置电涡流传感器, 输入轴与被测旋转轴相连。 第20页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五当被测旋转轴转动时, 输出轴的距离发生d0+d的变化。由于电涡流效应, 这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化, 使传感器线圈电感随d的变化也发生变化, 它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此, 随着输入轴的旋转, 从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。

11、 该信号由检波器检出电压幅值的变化量, 然后经整形电路输出脉冲频率信号f n 。该信号经电路处理便可得到被测转速。 这种转速传感器可实现非接触式测量, 抗污染能力很强, 可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达 600 000 r/min(转/分)。 第21页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五（四）测量厚度涡流传感器1涡流传感器2测出距离x1测出距离x2预置距离D第22页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五高频反射式涡流厚度传感器使涡流集于表面，不受物体几何形状影响，只与距离有关。为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响, 在带

12、材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2 。 S1、 S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。 若带材厚度不变, 则被测带材上、 下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在（利用线性区）。两传感器的输出电压之和为 2Uo数值不变。 如果被测带材厚度改变量为, 则两传感器与带材之间的距离也改变了一个, 两传感器输出电压此时为2Uo+U。U经放大器放大后, 通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。 第23页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五（五）测量温度（六）其他测量测出等效电感变化温

13、度变化 变化 电感变化 谐振频率变化 测出谐振频率变化接近开关、计数、尺寸检测等。第24页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五电磁炉内部的励磁线圈第25页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五电磁炉的工作原理 高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。第26页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五电涡流传感器结构及特性 电涡流探头外形交变磁场第27页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五电涡流探头内部结构 1电涡流线圈 2探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹 4

14、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 第28页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五CZF-1系列传感器的性能 分析上表请得出结论： 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？第29页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五大直径电涡流探雷器 第30页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五应用 接近开关简介 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。 接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高

15、的感辨能力。 第31页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关外形 第32页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关外形 第33页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关外形（续） 第34页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五一、常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关，以下仅以电感接近开关称呼之）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式 、超声波式等。 第35页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五二、接近开关的特点 接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨

16、损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便； 缺点是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。 第36页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五三.接近开关的主要性能指标： 额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。 第37页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五四、电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理 电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨

17、头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。第38页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五五、电涡流接近开关原理框图第39页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五七、接近开关的术语解释（1） 1.动作（检测）距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。 2.设定距离：指接近开关在实

18、际工作中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。被测物与接近开关之间的安装距离一般等于额定动作距离，以保证工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。 3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。 4.回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。第40页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的检测距离与回差第41页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的术语解释（2） 标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，

19、厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。第42页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属） 电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。第43页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的术语解释（4） 响应频率f ：按规定，在1秒的时间间隔内， 接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，

20、接近开关无反应。 响应时间t ：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算： t=1/ f第44页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五响应频率及响应时间示意图第45页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的术语解释（5） 输出状态：常开/常闭型接近开关 当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。 对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之则负载失电。第46页，共82页，2

21、022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的术语解释（6） 常用的输出形式有： NPN二线， NPN三线， NPN四线， PNP二线， PNP三线， PNP四线， DC二线，AC二线， AC五线（带继电器）等几种，读者可查阅以下有关资料。第47页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五输出形式（14）负载负载第48页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五输出形式（58）负载负载负载第49页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的术语解释（7） 导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。一般

22、情况下，导通压降约为0.3V。第50页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五导通压降0.3V第51页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关的接线方法举例以NPN、常开型为例来说明 接线方法 OUT端与GND端的压降Uces约为0.3V，流过KA的电流IKA=（VCC-0. 3）/RKA。若IKA大于KA的额定吸合电流，则KA能够可靠吸合。第52页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路，Open Collector（Open Drain）。为什么引入OC门？ 实际使用中,有时需要两个或两个

23、以上与非门的输出端连接在同一条导线上，将这些与非门上的数据（状态电平）用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路-OC门来实现“线与逻辑”。 第53页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五接近开关使用注意事项 1.请勿将电感接近开关置于0.02T以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。 2.为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。 3.为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括被检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附等。 4.DC二线制接近开关具有0.51mA的静

24、态泄漏电流，在一些对泄漏电流要求较高的场合下，可改用DC三线制接近开关。 5.直流型接近开关使用电感性负载时，请务必在负载两端并接续流二极管，以免损坏接近开关的输出级。第54页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五四、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 第55页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置第56页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五齿轮转速测量 例： 下图中，设齿数z =48，测得频率 f=120Hz，求该齿

25、轮的转速n 。第57页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五五、电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有互相垂直发射线圈和接收线圈。无金属物体通过时，两个线圈相互作用，当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会使接收线圈中感应出电压发生变化，计算机根据感应电压的变化的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。 第58页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警第59页，共82页，2022年，5月20日，23点26

26、分，星期五六、电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪油管探伤第60页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五滚子涡流探伤机 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）第61页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）第62页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五掌上型电涡流探伤仪第63页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹第64页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。 第65页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五第66页，共82页，2022年，5月20日，23点26分，星期五测量径向振动，可以由它看到轴承的工