传感器与检测技术课件-3金属介质材料的检测与控制

项目三金属材料的检测与控制能检测出金属材料的传感器有多种，其中比较重要的是电涡流传感器、超声波测距传感器和磁电式传感器。非接触式电涡流传感器超声波传感器磁电式传感器任务一电涡流传感器高频（数MHz以上）激励电流i施加于邻近金属板一侧的线圈由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面在金属板表面薄层内产生涡流涡流又产生反向的磁场，反作用于线圈上，由此引起线圈自感L或线圈阻抗的变化。(1)电涡流原理这是一种建立在涡流效应原理上的传感器。

它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损探伤。原理如下图示。

(1)类型高频反射式电涡流传传感器

a、结构：由一个固定在框架上的扁平线圈组成。

为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。原理

电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。

一般地，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，频率应低些。如下图在测量ρ较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量ρ较大的材料，则应选用较高的频率（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。案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。任务二超声波传感器超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在16~2×104Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16Hz的机械波,称为次声波;高于2×104Hz的机械波,称为超声波。如图10-1。当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。一、超声波的波形及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,声波的波型也不同。通常有:①纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波;②横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;③表面波——质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,应多采用纵波。纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度,气体中声速为344m/s,液体中声速在900~1900m/s。由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时,入射角α的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比,即

三、超声波的衰减声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为

Px=P0e-αxIx=I0e-2αx超声波传感器利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等,而以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷,这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的:逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头。图给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置水中,让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方,让超声波在空气中传播,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害。对于单换能器来说,超声波从发射到液面,又从液面反射到换能器的时间为超声波发射接收示意图式中:h——换能器距液面的距离;v——超声波在介质中传播的速度。对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,而因此液位高度为

h=（s2-a2）1/2式中:s——超声波反射点到换能器的距离;a——两换能器间距之半。式中:h——换能器距液面的距离;v——超声波在介质中传播的速度。对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,而

s=（10-6）因此液位高度为

h=（s2-a2）1/2（10-7）式中:s——超声波反射点到换能器的距离;a——两换能器间距之半。任务三磁电式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、