第四章电涡流传感器教材

第四章电涡流传感器章节导入：

当导体处于交变磁场中，铁心会因电磁感应在内部产生自行闭合的电涡流。在检测领域，利用电涡流可进行非接触测量。可测量工件尺寸、转速、表面温度、微小位移、振动以及接近开关和无损探伤。本章要点：1、电涡流传感器的工作原理

2、掌握电涡流传感器的测量转换电路（AM、FM）3、电涡流传感器的工作应用

4、电涡流式接近开关的原理、结构、特性参数、应用及掌握接线方法。3/25/20241第一节

电涡流传感器工作原理

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。变压器和交流电动机的铁心是用硅钢片叠压而成，目的是减小涡流，避免发热一、电涡流效应及肌肤效应3/25/20242第一节

电涡流传感器工作原理

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。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。3/25/202432、集肤效应

集肤效应与激励源频率f、工件的电导率

、磁导率

等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。

是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流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，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。

3/25/20244二、等效阻抗分析

电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：

Z=R+jωL=f（i1、f、

、

、r、x）

结论：1、检测深度的测量检测深度与激励频率成反比关系。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。要使电涡流深入导体，或要对远距离金属进行检测，可采用十几千赫兹或几十千赫兹频率的激励电源。3/25/20245

2、间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、

、

、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触测量位移的传感器。3、多种用途：

如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率

有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率

有关的材料型号、表面硬度等参数。

3/25/20246三、电涡流与肌肤效应举例

——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。3/25/20247电磁炉内部的励磁线圈3/25/20248第二节

电涡流传感器结构及特性1、电涡流探头外形交变磁场一、电涡流探头的结构：3/25/202492、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—电源指示灯

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

3/25/202410二、CZF-1系列传感器的性能

分析上表请得出结论：探头的直径越大，测量范围也越大，分辨力越差，灵敏度越低。

型号线性范围/um线圈外径/mm分辨力/um线性误差(%)使用温度/0CCZF-1000100071＜3-15～+80CZF-30003000153＜3-15～+80CZF-50005000285＜3-15～+803/25/202411

举例：探头的直径越大，测量范围也越大，分辨力越差，灵敏度越低。但大直径电涡流探雷器定性测量。

3/25/202412三、被测体材料、形状、大小对灵敏度的影响1、被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径大于线圈直径的2倍以上，否则将使灵敏度降低；被测体为轴状圆柱体的圆弧表面时，它的直径应大于线圈直径的4倍以上。2、被测物体厚度为0.2mm3、测量时，尽量避开其它导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。3/25/202413第三节

测量转换电路

电涡流探头与被测金属之间的互感量变化可以转换为探头线圈的等效阻抗以及品质因数Q等参数的变化。因此测量转换电路的任务是将这些参数转换为频率、电压、电流。相应地有调频法、调幅法和电桥法，本次学习调频法和调幅法。3/25/2024141、调幅式电路：AM1、谐振时：石英振荡器产生稳频稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料远离探头，调节C0，产生谐振输出较大Uo3/25/2024152、被测体靠近探头时：在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。

被测体可以是导磁性物体也可以是非导磁性物体，与探头间距越小，输出电压就越低。缺点是：不是线性关系，必须用千分尺逐点标定后经计算机线性化处理用数码管显示。温漂较大，需要采取补偿电路。3/25/2024163、部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数

结论：由表可知人的手、泥土或装满水的玻璃杯不能对振荡器的振幅产生明显的衰减。材料衰减系数钢1不锈钢0.85黄铜0.3铜0.4水0.013/25/202417二、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）

1、原理

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，此频率可以通过f/V转换器（鉴频器）转换成电压，由表头显示，也可以将频率信号（TTL）送到计算机的计数定时器，测量出频率。3/25/202418并联谐振回路的谐振频率

电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，当线圈探头与被测导体距离变小时，电涡流线圈的电感量随之变小，引起LC振荡器的输出频率变高，此频率可用计算机测得。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将

f转换为电压

Uo。3/25/2024192、鉴频器特性

使用鉴频器可以将

f转换为电压

Uo鉴频器的输出电压与输入频率成正比、线性关系Uo/Vf/KHzUoHUo0UoLfHf0fL3/25/202420鉴频器举例说明：

计算电涡流线圈和金属距离无穷大时的鉴频器输出电压UO0；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头的输出频率f上升为500kHz，频率

f为500kHz，输出电压为TTL高电频5V。-5-4-22004005003/25/202421第四节

电涡流传感器的应用

电涡流探头线圈的阻抗受众多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定一个量就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。应用十分广泛，属于定性测量。

如果要做定量测量，也要用到前面学习的逐点标定、计算机线性纠正。本节课就位移、振动、转速、镀层厚度、安全检查门、表面探伤六个应用加以学习。3/25/2024221、测量过程：电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。一、位移测量3/25/2024232、位移测量仪外形与探头

位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。齐平式探头安装时可以不高出安装面，不易被损害。3/25/202424（1）当被测面是平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径大于1.5倍的探头直径。（2）被测体为圆轴，且探头中心线与轴心线正交时，被测轴直径为探头直径3倍以上。（3）被测物体厚度越大，灵敏度越低。60电涡流位移传感器探头的选择：

电涡流位移变送器3/25/202425举例：轴向位移的监测设备停机检修时，将探头安装在与轴连器2mm的基座上，调节二次仪表使示值为零。汽轮机启动后，长期监测其位移量，由于轴向推力和轴承的磨损面使探头与轴连器的间隙变小，二次仪表的输出电压由零增大。设定危险值（0.9mm），二次仪表发出报警信号。3/25/2024263、（补充知识）仪表的NPN和PNP输出模式

四线制电涡流位移传感器的接线说明

该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。位移传感器DC（+V）DC（0V）模拟输出（高、低电压转换）模拟输出（低、高电压转换）3/25/202427仪表的NPN和PNP输出模式

如果输入一个高电平，而输出需要一个低电平时，首选择npn

如果输入一个低电平，而输出需要一个低电平时，首选择pnp

如果输入一个低电平，而输出需要一个高电平时，首选择npn

如果输入一个高电平，而输出需要一个高电平时，首选择pnp输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，ac二线，ac五线（自带继电器）

3/25/2024284、测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪

测量冷轧板厚度3/25/2024295、测量尺寸、公差及零件识别

通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移xx3/25/2024306、位移的标定方法

使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。3/25/202431二、振动测量1、测量过程：

用多个传感器放在机械不同部位检测，得到各个位置的振幅值和相位值，画出振动波形图，由频谱仪分析输出波形的振幅及频率，频谱仪在第九章学习。xy3/25/202432

3、汽轮机叶片测试

2、测量悬臂梁的振幅及频率3/25/2024334、偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动3/25/2024345、测量弯曲、波动、变形

对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。3/25/202435调频法测量振动的波形3/25/202436三、转速测量

1、测量过程：

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：

3/25/2024372、齿轮转速测量举例

例：下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，

求该齿轮的转速n。结论：1500r/min3/25/202438电动机转速测量3/25/202439四、镀层厚度测量

1、测量过程：由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。

3/25/202440测量金属镀层或绝缘层厚度x镀层厚度电涡流镀层测厚仪3/25/202441五、电涡流式通道安全检查门

1、测量过程：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，10KHz的音频信号产生的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。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。

3/25/202442安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警3/25/202443六、电涡流表面探伤

1、测量过程：检查金属表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器应与被测导体保持距离不变。由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流变小，从而引起输出电压的变化。在频谱仪，接收线圈同名端相连的差动电路可将环境温度变化、表面硬度、机械传动不均匀、抖动的信号相互抵消。当裂纹进入左右接收线圈时，因相位上有先后差别，信号无法抵消，产生输出电压。3/25/2024442、探伤仪外形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30μm的表面微小裂纹。台式探伤仪3/25/202445用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹手持式裂纹测量仪进行油管探伤3/25/202446花瓣阻抗图从该图中判断裂纹的长短、深浅、走向。黑色为反视报警区，当8字花瓣图形超出报警区时视为超标，产生报警信号。3/25/202447

接近开关又称无触点开关，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，就发出动作信号，多数能直接驱动中间继电器。用于高速计数、测速，确定物体存在和位置，测量物体和液位，用于人体保护和防盗以及无触点按钮。第五节接近开关简介3/25/202448与机械开关相比，接近开关具有如下特点：①非接触检测，不影响被测物的运行工况②不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长③响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒④采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强⑤无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）⑥输出信号大，易于与计算机或PLC等接口⑦体积小，安装、调整方便。它的缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁一、接近开关的特点：3/25/202449自感式、差动变压器式：对导磁物体电涡流式：对导电良好的金属电容式：对接地的金属或地电位的导电物体磁性干簧开关（干簧管）：对磁性较强的物体霍尔式：对磁性物体光电传感器、微波和超声波传感器属于电子开关，检测距离可较大。二、接近开关的分类3/25/202450（1）额定动作距离在规定的条件下所测定到的接近开关的动作距离（单位为mm）；（2）工作距离接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离内，不产生误动作；（3）动作滞差指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大、对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就强；（4）重复定位精度(重复性)它表征多次测量动作距离。其数值的离散性的大小一般为动作距离的1%～5%。离散性越小，重复定位精度越高。（5）动作频率指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。三、接近开关的主要性能指标

3/25/202451

四、接近开关的规格及接线方式棕色引线为正电源（18～35V）蓝色接地（电源负极）黑色为输出端。有常开、常闭之分，可选用继电器NPN、OC门输出型，有PNP、NPN型，常用NPN常开型。三线制接近开关

感辨头鉴幅电路+VccOUTGND3/25/202452

四、接近开关的规格及接线方式

NPN、OC门常开输出电路接法

+Vcc24VKAOUTGNDVD续流当被测物体未靠近接近开关时，UB=0，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）；当被测体靠近到动作距离（xnin）时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平（约0.3V）。将中间继电器KA跨接在+VCC与OUT端上时，KA就处于吸合（得电）状态。3/25/202453

当被测物体远离该接近开关，到达xmax时，OC门再次截止，KA失电。通常将接近开关设计为具有“施密特特性”，Δx为接近开关的动作滞差（也称为“动作回差”）。回差越大，抗机械振动干扰的能力就越强。接续流二极管的原因