第4章-涡流传感器课件

检测技术与故障诊断第4章电涡流传感器主要内容4.1电涡流传感器的工作原理4.2电涡流传感器的结构和特性4.3电涡流传感器的测量转换电路4.4电涡流传感器的应用4.5接近开关及其应用4.1电涡流传感器的工作原理

4.1.1电涡流效应由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。一、基本原理形成电涡流的两个必要条件：

①存在交变磁场②金属导体处于交变磁场中

一、基本原理电涡流传感器的最大特点是能够对被测量进行非接触测量。电涡流效应演示当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大，Q值降低，流过电涡流线圈的电流i1增大。

交变励磁引起铁心的涡流损耗Pe

减小变压器铁损耗的方法：（1）使用软磁材料减小Ph

；（2）增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗

；（3）用很薄的互相绝缘的硅钢片（0.1mm）叠成铁心，每一片硅钢片内部的电涡流需要走较长的扁形路线，减小了电涡流损耗

。ΦΦ电涡流大二趋肤效应（集肤效应）当100kHz～2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1

，在线圈周围产生交变磁场Φ。如果将线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就产生电涡流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，这称为趋肤效应。

三、涡流的分布和强度金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj径向分布：涡流范围与涡流线圈外径有固定的比例关系。径向分布

2ros线圈外径确定后，涡流范围也就确定了。

r=ros线圈外径处，金属涡流密度最大；

r=0线圈中心处，涡流密度为零(j=0)；

r<0.4ros处（以内）基本没有涡流；

r=1.8ros线圈外径处，涡流密度衰减到最大值的5%。涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系，涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内

轴向分布

由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。距离金属表面Z处,涡流按指数规律衰减hz金属扁平线圈j强度

当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。根据线圈-导体系统，金属表面电涡流强度I2与距离x是非线性关系，随x/ros上升而下降。x/rosI2/I11.01234

把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，按照楞次定律，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化,产生反抗H1的交变磁场H2。4.1.2电涡流线圈等效电路分析阻抗分析等效电阻等效电感

凡是引起次级线圈回路变化的物理量R2、L2、M均可以引起传感器线圈等效R1、L1的变化。被测体的电阻率σ、导磁率μ、线圈与被测体间的距离δ，激励线圈的角频率ω,都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系，使R，L变化。

若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗Z1成为这个参数的单值函数。电涡流线圈在不同情况下的品质因数Q值越大，曲线越尖锐，后级检测电路得到的电压就越高。4.2电涡流传感器结构及特性交变磁场4.2.1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—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

YD9800系列电涡流位移传感器特性

探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？

线圈直径φ/mm壳体螺纹/mm线性范围/mm最佳安装距离/mm最小被测面/mm

分辨力/μm5M8×110.515111M14×1.54235425M16×1.58470850M30×2251210010电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大,但分辨率越低，灵敏度要视被测金属体的磁性而定——电涡流探雷器被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径应大于线圈直径的2倍；被测体为轴状圆柱体的圆弧表面时，物体的直径应大于线圈直径的4倍；被测物体的厚度0.2mm以上。4.3电涡流传感器的测量转换电路被测量可以由传感器变成涡流线圈的等效电感L和等效电阻R的变化，如何将这些变化转换为电压、电流或频率？测量电路1.调幅式2.调频式石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz~2MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈两端电压的衰减，输出电压Uo反映了金属体与电涡流线圈的间距。一、调幅（AM）式电路定频调幅式电路的幅频曲线4根曲线与f0的交点决定调幅电路的输出电压0－探头与被测物间距很远时1－非磁性金属、间距较大时2－非磁性金属、间距较小时（Q值降低）3－磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）二、调频（FM）式电路当电涡流线圈与被测体的距离x变小时，电涡流线圈的电感量L也随之变小（非铁质），同时引起LC振荡器的输出电压及频率变高。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用“鉴频器”，可以将f转换为电压Uo。并联谐振回路的谐振频率设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调电容C0

=200pF，（1pF＝10-12F）求：探头中的振荡器的初始频率f0

。（一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）解：鉴频器特性曲线设鉴频器电路的初始频率f0=1MHz，该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝质金属板靠近时，输出电压如何变化？电涡流位移传感器用于轴向位移的监测

1—旋转设备（汽轮机）2—主轴3—联轴器4—电涡流探头5—夹紧螺母6—发电机7—基座4.4电涡流传感器的应用

1.测位移4.4电涡流传感器的应用

2.测厚3.电涡流位移传感器的静态位移标定设备

1—探头夹具2—电涡流探头3—标准圆片状试件4—千分尺测杆5—千分尺套筒6—套筒定螺钉7—千分尺8—底座9—水平调节垫脚电涡流位移传感器的标定

在标定区域里，共设置多个测量点。首先调节千分尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，使探头与试件刚好接触，计算机测得探头绝对零位的输出电压。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，每隔设定的位移（例如0.8mm），测量电涡流传感器的输出电压。电涡流位移传感器的标定过程示意图

1—正程数据（黑点☻）2—正程折线（细实线）3—回程数据（空心圆圈☺）4—回程折线（虚线）5—计算机拟合曲线（粗实线）V系列电涡流位移传感器性能一览表4.振动测量a）径向振动测量b）长轴多线圈测量c）叶片振动测量1－电涡流线圈2－被测物调频法测量振动的波形叶片共振法振动测量波形汽轮机叶片的激振测量示意图可以用激振小锤敲击叶片根部，利用李萨如（李沙茹）图形法测量汽轮机叶片的共振频率。而现在更多地利用计算机直接计算出振动信号的多项参数。5.测转速齿轮齿数6.液位监控系统7.电涡流探伤火车车轮裂纹检测车轮周长开始结束传感器安装应覆盖车轮裂纹输出信号探伤时，传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹出现，导体的电阻率发生变化，涡流损耗改变，引起输出电压变化。手持式裂纹测量仪油管探伤7.电涡流表面探伤8.电涡流输电线路损伤：载有交变电流的线圈产生交变磁场Hp，金属物平面感应出电涡流，产生交变涡流磁场Hs，均在检测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。（a）被测金属物上无缺陷：穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。（b）被测金属物上有缺陷：穿过检测线圈的两个线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。9、电涡流式通道安全检查门

安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。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，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。如果采用1~6区线圈检测技术，可以显示报警的部位。金属报警电涡流式通道金属安全检查门原理

由1个大线圈、6个小线圈、补偿线圈等组成。L11、L12与L21、L22相互垂直，成电气正交状态，无磁路交链,Ｕo=0。在有金属物体通过L11、L12形成的交变磁场H1时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流。电涡流也将产生一个新的微弱磁场H2。H2的相位与金属体位置、大小等有关，但与L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感应出电压。H2安检门灵敏度的设定根据人体基本结构，将安检门划分为6个探测区域，可进行100级灵敏度的调整，根据实际应用状况，预先设定灵敏度的级别。最高灵敏度可探测到一枚回形针大小的金属，但又可排除皮带扣、钥匙、首饰、硬币等物品。4.5接近开关及应用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”，也称探头，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。一、常用的接近开关分类常用的接近开关有电涡流式（也称电感接近开关）、电容式、、超声波式、霍尔式、光电式、磁性干簧开关、微波式等。多数三线制接近开关的棕色为电源,蓝色为电源地,黑色为信号线。

二、常见接近开关的型号说明三、接近开关与机械行程开关的比较

1）非接触检测，不影响被测物的运行工况。2）定位准确度高。3）不产生机械磨损和疲劳损伤，耐腐蚀，动作频率高，工作寿命长。4）响应快，约几毫秒至十几毫秒。5）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。6）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求防爆的场合（防爆型）。7）易于与计算机或PLC等接口。8）体积小，安装、调整方便9）缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁。四、接近开关的主要性能指标

额定动作距离、复位距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。四、接近开关的主要性能指标

（1）动作距离：当被测物由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作（输出状态变为有效状态）的距离δmin（mm）。（2）复位距离：当被测物由正面离开接近开关的感应面，接近开关转为复位时，被测物离开感应面的距离δmax。（3）动作滞差：复位距离与动作距离之差。动作滞差越大，对抗被测物抖动等造成的机械振动干扰的能力就强，但动作准确度就越差。四、接近开关的主要性能指标（4）额定工作距离：额定工作距离指接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离内，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰而产生误动作。额定工作距离应小于动作距离，但是若设置得太小，有可能无法复位。实际应用中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，较为可靠的额定工作距离约为动作距离的75%。四、接近开关的主要性能指标（5）重复定位准确度(重复性)：表征多次测量的最大动作距离平均值。其数值的离散性的大小一般为最大动作距离的1%～5%。离散性越小，重复定位准确度越高。（6）动作频率：每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物个数或次数称为动作频率。若接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时，接近开关就来不及响应物体的运动状态，有可能造成漏检。五、电涡流接近开关的工作原理电涡流接近开关由LC高频振荡器和放大调理等电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡频率或振荡幅度发生变化，由内部电路处理后，输出对应的开关量，由此识别出有无金属物体接近，进而控制外电路的通或断。电涡流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。五、接近开关的接线方式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。NPN三线制接近开关的接线输出形式（1~4）负载负载蓝蓝蓝蓝输出形式（5~8）负载负载负载三线制NPN常开型接近开关举例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。

例：求NPN常开型接近开关的最大负载设某一接近开关的最大阻性输出电流IKA=300mA，工作电压VCC=24V，求:最小负载电阻（最大负载）Rmin

。解：Rmin=(VCC-0.3)/IKA=(24-0.3)V/0.3A=79Ω。若负载为感性，应大于此值的一倍,工作电流减为50%以下,且应在感性负载两端并联续流二极管，反向接法，见下图。灌电流NPN常开型接近开关的施密特特性当被测物体未靠近接近开关时，UB=0，OC门的基极电流IB=0，OC门截止，OUT端为高阻态（接入负载后为接近电源电压的高电平）；当被测体逐渐靠近，到达动作距离δmin时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平（约0.3V）。当被测物体逐渐远离接近开关,到达复位距离δmax时,OC门再次截止,KA失电。Δδ为接近开关的动作滞差（也称为“回差”）。

NPN常开型接近开关的施密特特性举例当金属工件从远处逐渐向接近开关靠近，到达δmin位置（5mm）时，开关动作，输出低电平。要想让它翻转回到高电平，则需要让工件倒退Δδ的距离，即：大于δmax的位置，7mm。Δδ大大超过抖动造成的倒退量，所以接近开关一旦动作，微小的干扰是无法让其复位的。

NPN常开型接近开关的施密特特性列表.距离/mm∞5.14.91.06.97.1∞电平状态高电平高电平低电平低电平低电平高电平高电平NPN常闭型接近开关的施密特特性当金属工件从远处逐渐向接近开关靠近，输出先是处于低电平状态。到达δmin位置（2mm）时，开关动作，输出高电平。要想让它翻转回到低电平，则需要让工件倒退到δmax的位置，3mm。Δδ=1mm。

NPN常闭型接近开关的施密特特性列表.距离/mm∞2.11.91.02.93.1∞电平状态低电平低电平高电平高电平高电平低电平低电平PNP常开型接近开关的电路

PNP型接近开关称为电流流出型开关，当被测物体未靠近接近开关时，PNP晶体管（OC门）截止，OUT端为高阻态（悬空），接了负载后，与地线等电位，负载两端没有电压差；

当被测物体逐渐靠近，到达动作距离δmin时，PNP型晶体管导通，输出端相当于接到电源Vcc，OUT端对地为高电平(约Vcc-0.3V)。（晶体管也称三极管）PNP常开型接近开关的接线

PNP型接近开关的负载（