N-3.4 电涡流式传感器

1、.,3.4 电涡流式传感器,当导体置于变化的磁场中或在固定磁场中运动时，导体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在导体内闭合的，称为涡流。,穿透深度,式中, 导体电阻率(cm)； r导体相对磁导率； 交变磁场频率(Hz)。,.,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器 3.4.2 低频透射式涡流传感器 3.4.3 涡流式传感器的应用,.,3.4.1 高频反射式涡流传感器,1. 基本原理 2等效电路 3. 传感器的结构 4. 测量电路,.,1. 基本原理,线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号 i1 正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈，改变了电

2、感,电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离， 金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等,.,2 等效电路,电感LE表示金属板对涡流呈现的电感效应 电阻RE表示在金属板上的涡流损耗 互感系数M表示LE与原线圈L之间的相互作用 R为原线圈L的损耗电阻 C为线圈与装置的分布电容,.,考虑到涡流的反射作用，L两端的阻抗ZL可用下式表示,式中,信号源的角频率； K耦合系数， K2=M2(LLE)。,.,表3.4.1 不同频率时的感抗分量与电阻分量,计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间 的数量关系可以进行估计。,金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈 按一

3、定方式结合起来的总效应来等效。,.,由于RLE则式(3.4.2)可以简化为,ZL的虚部与金属板的电阻率无关，而仅与耦合系数K有关， 即仅与线圈至金属板之间的距离有关,在实际条件下，即K1，并有RLE 可以认为式(3.4.2)在特定条件下 (测量信号频率较高，金属板电阻率较小且变化范围不大) 存在着以下的关系,.,3. 传感器的结构,线圈 框架 3框架衬套 4 支架 5电缆 6插头,.,4. 测量电路,定频测距电路 调频测距电路,.,定频测距电路,将Lx的关系转换成Ux。的关系。 通过检波电压U的测量，就可以确定距离x的大小。 这里Ux，曲线与金属板电阻率的变化无关。,.,若去掉金属板，则L=L

4、(即x趋于时的L值)。 如果在保持幅值不变的情况下，改变正弦振荡器的频率， 则可以得到U曲线，即传感器回路的并联谐振曲线,谐振频率为,.,有金属板时，设振荡器的频率为f0。 若改变金属板与传感器之间的距离x，则Ux曲线,当x足够大时(此时L=L，U=U)，回路处于并联谐振状态。,.,调频测距电路,当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时， 引起线圈的电感量L发生变化，从而使振荡器的频率改变， 然后通过鉴频器将频率变化再变成电压输出。,.,调频式测量电路图,电容三点式振荡器 射极输出器,.,传感器输出电缆的分布电容的影响不能忽视的。,钢板 铜板,.,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器

5、 3.4.2 低频透射式涡流传感器 3.4.3 涡流式传感器的应用,.,3.4.2 低频透射式涡流传感器,透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线,测厚的依据: E的大小间接反映了M的厚度t,.,当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗的值是不同的， 从而使Et曲线的形状发生变化。,在t较小的情况下，Qs3曲线的斜率大于Qs1曲线的斜率； 而在t较大的情况下， Qs1曲线的斜率大于Qs3曲线的斜率。 测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。,.,测试频率与材料关系,对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不同时，渗透深度Q渗的值也不相同，于是又引起Et曲线形状的变化，为使测量不同

6、的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保持Q不变，这时应该相应地改变f。 测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的f(500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时，则选用较高的f (2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。,.,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器 3.4.2 低频透射式涡流传感器 3.4.3 涡流式传感器的应用,.,3.4.3 涡流式传感器的应用,.,1位移测量,(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图 (b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图 (c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图,.,2 振幅测量,(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图 (b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图 (c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,.,3厚度测量,电涡流式厚度计的测量原理图,.,4转速测量,f频率值(Hz)； n旋转体的槽(齿)数； N被测轴的转速(rmin)。,.,5. 涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,.,a