梁森-电涡流传感器

1、2021-7-31 机械工业出版社机械工业出版社 中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术 第四章第四章 多媒体课件 200951 更新 2021-7-32 在这一章里，卡卡要给大家介绍电涡流传感器的在这一章里，卡卡要给大家介绍电涡流传感器的 基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业技术基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业技术 里广泛应用的接近开关。里广泛应用的接近开关。 电涡流传感器主要用于金属探测（安全检测等）、电涡流传感器主要用于金属探测（安全检测等）、 微小位移和振动测量，以及转速、表面状态等诸多微小位移和振动测量，以及转速、表面状

2、态等诸多 与电涡流有关的参数，还可以用于无损探伤及接近与电涡流有关的参数，还可以用于无损探伤及接近 开关。开关。 电涡流传感器的最大特点是非接触测量。电涡流传感器的最大特点是非接触测量。 第四章第四章 电涡流传感器电涡流传感器 2021-7-33 我们先来看一个实验。取一只直径为我们先来看一个实验。取一只直径为300mm左右左右 的空心线圈，接到金属探测器的高频激励电流输出的空心线圈，接到金属探测器的高频激励电流输出 端。当线圈接近一块金属，这时我们会发现与检测端。当线圈接近一块金属，这时我们会发现与检测 电路相连的耳机里的声音音调变尖电路相连的耳机里的声音音调变尖 。 小实验小实验 第一节第

3、一节 电涡流传感器工作原理电涡流传感器工作原理 2021-7-34 第一节第一节 电涡流传感器工作原理电涡流传感器工作原理 电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流当电涡流 线圈与金属板线圈与金属板 的距离的距离x 减小减小 时，电涡流线时，电涡流线 圈的圈的等效电感等效电感L 减小减小，等效电等效电 阻阻R 增大增大，流，流 过电涡流线圈过电涡流线圈 的的电流电流 i1 增大增大。 电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、 高效的高效的 电磁炉电磁炉 电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈 电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电高频电

4、 流通过励磁流通过励磁 线圈，产生线圈，产生 交变磁场，交变磁场， 在铁质锅底在铁质锅底 会产生无数会产生无数 的电涡流，的电涡流， 使锅底发热，使锅底发热， 烧开锅烧开锅 内内 食食 物。物。 第二节第二节 电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形 交变磁场交变磁场 电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 CZF-1系列传感器的性能

5、系列传感器的性能 分析上表请得出结论：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探头的直径与测量范围及分辨力之间 有何关系？有何关系？ 2021-7-311 大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 第三节第三节 测量转换电路测量转换电路 一、调幅式（一、调幅式（AM）电路）电路 石英振荡器产生石英振荡器产生稳频、稳幅稳频、稳幅高频振荡电压高频振荡电压 (100kHz2MHz）用于激励电涡流线圈。金属）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，输出电压圈两端电压的衰减，输出电压Uo反映了金属体反映了金属

6、体 对电涡流线圈的距离。对电涡流线圈的距离。 部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的人的手、泥土或装满水的玻璃杯手、泥土或装满水的玻璃杯能对振能对振 荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？ 二、调频（二、调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，改变时， 电涡流线圈的电感量电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化。如果要用模拟仪表进振荡器的输出频率变化。如果要用模拟仪表进 行显示或记录时，必须使用鉴频器，将行显示

7、或记录时，必须使用鉴频器，将 f转换转换 为电压为电压 Uo 。 并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 0 1 4-3 2 f LC 第四节第四节 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 一、位移测量一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为电涡流位移传感器是一种输出为模拟量模拟量的的 电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属电子器件。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，根据振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的衰减量的 变化变化或或振荡频率振荡频率的变化，可地计算出与被检物的变化

8、，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体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于 非接触测量非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响，工作时不受灰尘等因素的影响， 可在各种恶劣条件下使用。可在各种恶劣条件下使用。 位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含： 偏心、间隙、位偏心、间隙、位 置、倾斜、弯曲、变置、倾斜、弯曲、变 形、移动、圆度、冲形、移动、圆度、冲 击、偏心率、冲程、击、偏心率、冲程、 宽度等。宽度等。 来自不同应用领来自不同应用领 域的许多量都可归结域的许多量都可归结 为位移或间隙变化。为位移或间隙变化。 数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头 20

9、21-7-318 420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形 （参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料） 齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料） 齐平式传感器安装时可以不高出安装齐平式传感器安装时可以不高出安装 面，不易被损害。面，不易被损害。 2021-7-320 V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器外形传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料） 齐平式齐平式 2021-7-321 V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器性能一览表传感器性能一览表 （摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关

10、厂资料） 四线制电涡流位移传感器的接线说明四线制电涡流位移传感器的接线说明 有的位移传感器同时具备两种动作输出状有的位移传感器同时具备两种动作输出状 态，可选择态，可选择从高电压向低电压转变从高电压向低电压转变、和、和从低电从低电 压向高电压转变压向高电压转变两种方式，分别称为两种方式，分别称为NPNNPN和和PNPPNP 输出模式，俗称为输出模式，俗称为常开输出常开输出或或常闭输出常闭输出模式。模式。 电涡流位移传感器的应用电涡流位移传感器的应用 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响， 例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、例如金属材料的厚度、尺寸、形状、

11、电导率、 磁导率、表面因素、距离等，因此电涡流传感磁导率、表面因素、距离等，因此电涡流传感 器的应用领域十分广泛，但也同时带来许多不器的应用领域十分广泛，但也同时带来许多不 确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以 影响测量结果。所以电涡流传感器多用于影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性定性 测量测量。 在用作在用作 定定 量量 测量时，必须采用测量时，必须采用逐点标逐点标 定、计算机线性纠正、温度补补偿定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。等措施。 2021-7-324 介绍几种常见位移传感器介绍几种常见位移传感器 2021-7-325 利用电涡流

12、测振仪测量叶片振动如图利用电涡流测振仪测量叶片振动如图4-6c所示，输出所示，输出 的振动波形如图的振动波形如图4-7所示，请分析与被测振动有关的所示，请分析与被测振动有关的 结果。结果。 振动的基波周期振动的基波周期T约为约为2.5格格10ms/格格25ms； 振动的基波频率振动的基波频率f约为约为1/T1/0.025s40Hz； 振动的输出电压峰峰值振动的输出电压峰峰值UPP约为约为(2格格40mV/格格) 80mV， 输出电压幅值输出电压幅值UP约为约为40mV。 若测振仪的灵敏度为若测振仪的灵敏度为 0.5mm/mV，则振动的振幅，则振动的振幅x 约为约为20mm。 2021-7-32

13、6 偏心和偏心和 振动检测振动检测 2021-7-327 通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动 2021-7-328 测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动对桥梁、丝杆等机械结构的振动 测量，须使用多个传感器。测量，须使用多个传感器。 测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度导向辊的材料可以用导向辊的材料可以用 金属制作吗？金属制作吗？ 2021-7-330 测量尺寸、公差测量尺寸、公差 及零件识别及零件识别 通过测量间隙来通过测量间隙来测定测定 热膨胀引起的上下平移热膨胀引起的上下平移

14、2021-7-331 测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙 间隙越大，间隙越大， 电涡流越小电涡流越小 2021-7-332 测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙 间距间距 位移的标定方法位移的标定方法 使用千分尺，逐一对照测量电路的输使用千分尺，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。计算机，从而达到线性化的目的。 电涡流位移传感器的距离电涡流位移传感器的距离 与输出电压特性曲线与输出电压特性曲线 位移传感器位移传感器1 1、2 2、3 3 的量程和线性范围各为多少的量程和线性范围各为多少mmmm？

15、 2021-7-335 二、转速测量二、转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽( (或齿或齿) )，频率计的读数，频率计的读数 为为f（单位为（单位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为 r/min）的计算公式为）的计算公式为 60r f n z （ /min） 2021-7-336 齿轮转速测量齿轮转速测量 例：例： 下图中，设齿数下图中，设齿数z z =48，测得频率，测得频率 f=120Hz，请按上述公式该齿轮的转速，请按上述公式该齿轮的转速n 。 2021-7-337 电动机电动机转速测量转速测量 三、电涡流式通道安全检查门三、电涡流式通道安全检查门 安检门的

16、内部设安检门的内部设 置有置有发射线圈和接收发射线圈和接收 线圈线圈。当有金属物体。当有金属物体 通过时，交变磁场就通过时，交变磁场就 会在该金属导体表面会在该金属导体表面 产生电涡流，会在接产生电涡流，会在接 收线圈中感应出电压，收线圈中感应出电压， 计算机根据计算机根据感应电压感应电压 的大小、相位的大小、相位来判定来判定 金属物体的大小。金属物体的大小。 2021-7-339 安检门安检门 演示演示 当有金属物体穿越当有金属物体穿越 安检门时报警安检门时报警 在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈，在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈， 有金属穿过时，对应位置报警。还在一侧安有金属穿过

17、时，对应位置报警。还在一侧安 装一台装一台“软软x光光”扫描仪扫描仪，它能显示衣服里头，它能显示衣服里头 的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。 2021-7-340 四、电涡流表面探伤四、电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪 油管探伤油管探伤 滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机 是由计算机控制的轴是由计算机控制的轴 承滚子表面微裂纹探承滚子表面微裂纹探 伤的专用设备，可探伤的专用设备，可探 出深出深 30m的表面微小的表面微小 裂纹。裂纹。 （参考参考无锡市通达滚子无锡市通达滚子 有限公司有限公司资料资料） 2021-7-

18、342 手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形 （参考厦门爱德华检测设备有限公司资料参考厦门爱德华检测设备有限公司资料） 2021-7-343 掌上型掌上型 电涡流电涡流 探伤仪探伤仪 2021-7-344 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 2021-7-345 台式电涡流探伤仪台式电涡流探伤仪 2021-7-346 花瓣阻抗图花瓣阻抗图 第五节第五节 接近开关简介接近开关简介 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。当离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当 物体进入其设定距

19、离范围内时，就发出物体进入其设定距离范围内时，就发出“动作动作”信信 号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。 接近开关能直接驱动中间继电器。多数接近开关接近开关能直接驱动中间继电器。多数接近开关 已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内，壳体已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内，壳体 上多带有螺纹或安装孔，以便于安装和调整。上多带有螺纹或安装孔，以便于安装和调整。 接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制和接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制和 限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定 金属物体的

20、存在和位置，测量物位等。金属物体的存在和位置，测量物位等。 2021-7-348 接近开关的核心部分是接近开关的核心部分是“感辨头感辨头”，它对正，它对正 在接近的物体有很高的感辨能力。在生物界，在接近的物体有很高的感辨能力。在生物界， 眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线；而眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线；而 电涡流探头能感辨金属导体的靠近。应变片、电涡流探头能感辨金属导体的靠近。应变片、 电位器之类的传感器无法用于接近开关，因为电位器之类的传感器无法用于接近开关，因为 它们属于接触式测量。它们属于接触式测量。 知知 识识 沙沙 龙龙 2021-7-349 接近开关外形接近开关外形 2

21、021-7-350 接近开关外形接近开关外形 2021-7-351 接近开关外形（续）接近开关外形（续） 一、常用的接近开关分类一、常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式（以常用的接近开关有电涡流式（以 下简称下简称电感接近开关电感接近开关）、电容式、磁）、电容式、磁 性干簧开关、霍尔式、光电式、微波性干簧开关、霍尔式、光电式、微波 式式 、超声波式等。、超声波式等。 二、接近开关的特点二、接近开关的特点 接近开关与被测物接近开关与被测物不接触不接触、不会产不会产 生机械磨损和疲劳损伤生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长工作寿命长、 响应快、无触点、响应快、无触点、无火花无火花、无噪声无噪声

22、、防、防 潮、防尘、潮、防尘、防爆性能较好防爆性能较好、体积小体积小、安、安 装、装、调整方便调整方便； 缺点是缺点是 触点容量较小触点容量较小、 输出短路时易烧毁输出短路时易烧毁。 2021-7-354 三三. .接近开关的主要性能指标：接近开关的主要性能指标： 额定动作距离额定动作距离、工作距离、工作距离、 动作滞差动作滞差、重复定位精度（重复、重复定位精度（重复 性）、性）、动作频率动作频率等。等。 四、电涡流接近开关四、电涡流接近开关 （即：电感接近开关）的（即：电感接近开关）的工作原理工作原理 电感接近开关由电感接近开关由LCLC高频振荡器和放大处理高频振荡器和放大处理 电路组成电路

23、组成，金属物体在接近辨头时，表面产生，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，使接近开涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开 关关振荡能力衰减振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化内部电路的参数发生变化， 由此识别出有无金属物体接近，进而由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关控制开关 的通或断的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须。这种接近开关所能检测的物体必须 是是导电性能良好的金属物体导电性能良好的金属物体。 2021-7-356 五、电涡流接近开关原理框图五、电涡流接近开关原理框图 2021-7-357 六、常见接近开关的型号说明六、常见接近开关的型号说明 （

24、摘自浙江洞头开关厂资料） 七、接近开关的术语解释（七、接近开关的术语解释（1 1） 1. 1.动作（检测）距离动作（检测）距离: : 被测体按一定方式移被测体按一定方式移 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的标称动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称 值。值。 2.2.设定距离设定距离：指整定距离，一般为额定动作距：指整定距离，一般为额定动作距 离的离的0.80.8倍，以保证工作可靠。倍，以保证工作可靠。 3. 3.复位距离复位距离：接近开关动作后，又再次复位时：接近开关动作后，又再次复位时 的

25、与被测物的距离，它略大于动作距离。的与被测物的距离，它略大于动作距离。 4.4.回差值回差值: : 动作距离与复位距离之间的绝对值。动作距离与复位距离之间的绝对值。 回差值越大回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的，对外界的干扰以及被测物的抖动等的 抗干扰能力就越强抗干扰能力就越强。 2021-7-359 接近开关的检接近开关的检 测距离与回差测距离与回差 接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（2 2） 标准检测体：可与现场被检金属作比标准检测体：可与现场被检金属作比 较的标准金属检测体。标准检测体通常为较的标准金属检测体。标准检测体通常为 正方形的正方形的A3钢，厚度为钢，厚度为1m

26、m，所采用的边，所采用的边 长是接近开关检测面直径的长是接近开关检测面直径的2.5倍。倍。 不同材料的金属检测物对电涡流接近开不同材料的金属检测物对电涡流接近开 关动作距离的影响关动作距离的影响（以（以FeFe为参考金属）为参考金属） 对于非磁性材料，被测体的对于非磁性材料，被测体的电导率越高电导率越高， 则则灵敏度越高灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导；被测体是磁性材料时，其磁导 率将影响电涡流线圈的感抗，其率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗磁滞损耗还将还将 影响电涡流影响电涡流线圈的线圈的Q值值。磁滞损耗大磁滞损耗大时，其时，其灵敏灵敏 度通常较高度通常较高。 接近开关的术语解释（接

27、近开关的术语解释（3 3） 接近开关的安装方式：分接近开关的安装方式：分齐平式齐平式和和非齐非齐 平式平式。齐平式（。齐平式（又称埋入型又称埋入型）的接近开关表）的接近开关表 面可面可与被安装的金属物件形成同一表面与被安装的金属物件形成同一表面，不，不 易被碰坏，但易被碰坏，但灵敏度较低灵敏度较低；非齐平式（非埋；非齐平式（非埋 入安装型）的接近开关则需要把入安装型）的接近开关则需要把感应头露出感应头露出 一定高度一定高度，否则将降低灵敏度。，否则将降低灵敏度。 2021-7-363 接近开关的安装方式接近开关的安装方式 齐平式安装齐平式安装非齐平式安装非齐平式安装 接近开关的术语解释（接近开

28、关的术语解释（4 4） 响应频率响应频率f ：按规定，在：按规定，在1秒的时间间隔秒的时间间隔 内，内， 接近开关动作循环的最大次数，重复接近开关动作循环的最大次数，重复 频率大于该值时，接近开关无反应。频率大于该值时，接近开关无反应。 响应时间响应时间t ：接近开关检测到物体时刻：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。到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。 可用公式换算：可用公式换算： t=1/ f 2021-7-365 响应频率及响应时间示意图响应频率及响应时间示意图 接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（5 5） 输出状态：输出状态：常开常开/ /常闭常闭型接近

29、开关型接近开关 当无检测物体时，对常开型接近开关而言，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）；载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输当检测到物体时，内部的输 出级三极管导通，负载得电工作出级三极管导通，负载得电工作。 对常闭型接近开关而言，当对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，未检测到物体时， 三极管反而处于导通状态，负载得电工作三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之；反之 则负载失电。则负载失电。 接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（6 6） 常用的输出形式有：常用的输出形式有： NPN二线，二线， NPN三线三线， NPN四线，四线， PNP二线，二线， PNP三线，三线， PNP四线，四线， DC二线，二线，AC二线，二线， AC五线（带继电器）五线（带继电器） 等几种，读者可查阅以下有关资料。等几种，读者可查阅以下有关资料。 2021-7-368 输出形式输出形式（14） 负载负载 负载负载 蓝蓝