第六讲-电涡流传感器PPT课件

1、一、电涡流传感器的工作原理一、电涡流传感器的工作原理v电涡流传感器的工作基础：涡流效应电涡流传感器的工作基础：涡流效应1 1、电涡流：、电涡流：成块的金属物体置于变化着的磁场中，成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流。圈自相闭合的电流。2 2、电涡流检测：、电涡流检测：电涡流式传感器结构简单，可实现电涡流式传感器结构简单，可实现非接触测量，在工业检测中的应用越来越广泛。例非接触测量，在工业检测中的应用越来越广泛。例如用来测量位移、厚度、振动、速度、流量和硬度如用来测量位移、厚度、振动、速度、流量

2、和硬度等。等。第1页/共24页二、涡流效应演示二、涡流效应演示 当高频（当高频（100kHz100kHz左右）左右）信号源产生的高频电压施信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附加到一个靠近金属导体附近的电感线圈近的电感线圈L L1 1时，将产时，将产生高频磁场生高频磁场H H1 1。如被测导。如被测导体置于该交变磁场范围之体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电内时，被测导体就产生电涡流涡流i i2 2。i i2 2在金属导体的在金属导体的纵深方向并不是均匀分布纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的，而只集中在金属导体的表面（趋肤效应）。的表面（趋肤效应）。 第2页/共24页

3、 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度d d、金属板与线圈的距离金属板与线圈的距离x x、激励电流角频率、激励电流角频率等参数有关。等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。 由电涡流所造成的能量损耗将使线圈电阻有功分由电涡流所造成的能量损耗将使线圈电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用将使线圈电量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用将使线圈电感量减小，从而引起线圈等效阻抗感量减小，从而引起线圈等效阻抗Z Z及等效品质因数及等效品质因数Q Q值的变化。所以凡是能引起电涡流变化

4、的非电量，均值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，均可通过测量线圈的等效电阻可通过测量线圈的等效电阻R R、等效电感、等效电感L L、等效阻抗、等效阻抗Z Z及等效品质因数及等效品质因数Q Q来测量。来测量。第3页/共24页三、等效阻抗分析三、等效阻抗分析 电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z Z的函数表达式为：的函数表达式为： Z Z= =R R+ +jLjL= =f f（f、 、r、x） 式（式（2-6-12-6-1） 12121221212122.1LLRMLjRLRMRIUZMMR RL L2 2L L1 1R R1 11U2I1I图图2-6-1

5、 2-6-1 电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图第4页/共24页 间距间距x的测量：的测量：如果控制上式中的如果控制上式中的f、 、r不变，不变，电涡流线圈的阻抗电涡流线圈的阻抗Z Z就成为间距就成为间距x x的单值函数，这样就的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。成为非接触地测量位移的传感器。 多种用途：多种用途：如果控制如果控制x、f不变，就可以用来检测与不变，就可以用来检测与表面电阻率表面电阻率有关的有关的表面温度、表面裂纹等参数表面温度、表面裂纹等参数，或者或者用来检测与材料磁导率用来检测与材料磁导率 有关的有关的材料型号、表面硬度材料型号、表面硬度等参数等参数。

6、第5页/共24页四、电涡流传感器的结构和分类四、电涡流传感器的结构和分类1 1、电涡流传感器的结构、电涡流传感器的结构第6页/共24页CZF-1CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。第7页/共24页电涡流接近开关电涡流接近开关第8页/共24页2 2、电涡流传感器的分类、电涡流传感器的分类 电涡流传感器按取用电涡流传感器按取用电源频率不同可以分为电源频率不同可以分为高高频反射式和低频透射式频反射式和低频透射式两两种。高频反射式电涡流传种。高频反射式电涡流传感器的原理在前面的内容感

7、器的原理在前面的内容中已做过介绍，在此不再中已做过介绍，在此不再重述。以下再简单介绍低重述。以下再简单介绍低频透射式电涡流传感器的频透射式电涡流传感器的工作原理。工作原理。图图2-6-3 透射式涡流厚度传感器结构原理图透射式涡流厚度传感器结构原理图第9页/共24页 在被测金属的上方设有发射传感器线圈在被测金属的上方设有发射传感器线圈L L1 1, , 在被测在被测金属板下方设有接收传感器线圈金属板下方设有接收传感器线圈L L2 2。当在。当在L L1 1上加低频电上加低频电压压U U1 1时时, , 则则L L1 1上产生交变磁通上产生交变磁通1 1, , 若两线圈间无金属若两线圈间无金属板板

8、, , 则交变磁场直接耦合至则交变磁场直接耦合至L L2 2中中, L, L2 2产生感应电压产生感应电压U U2 2。 如果将被测金属板放入两线圈之间如果将被测金属板放入两线圈之间, , 则则L L1 1线圈产生的线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。磁通将导致在金属板中产生电涡流。 此时磁场能量受到损耗此时磁场能量受到损耗, , 到达到达L L2 2的磁通将减弱为的磁通将减弱为 , , 从而使从而使L L2 2产生的感应电压产生的感应电压U U2 2下降。金属板越厚下降。金属板越厚, , 涡流损失涡流损失就越大就越大, U, U2 2电压就越小。因此电压就越小。因此, , 可根据可根据

9、U U2 2电压的大小得知电压的大小得知被测金属板的厚度被测金属板的厚度, , 透射式涡流厚度传感器检测范围可透射式涡流厚度传感器检测范围可达达1 1100mm, 100mm, 分辨率为分辨率为0.1m, 0.1m, 线性度为线性度为 1%1%。 1第10页/共24页第11页/共24页五、电涡流传感器的测量电路五、电涡流传感器的测量电路图图2-6-3 2-6-3 调幅式测量电路原理框图调幅式测量电路原理框图输出输出R R晶体振荡器晶体振荡器L LC C放大放大检波检波滤波滤波 涡流传感器线圈与电容并联组成涡流传感器线圈与电容并联组成LCLC并联谐振回路，由恒流源石并联谐振回路，由恒流源石英晶体

10、振荡器供电。石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压英晶体振荡器供电。石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz(100kHz1MHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电电涡流，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路，最终输出的直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响（例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）。如两者之间的距离等参数）。第12页/共24页 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

11、离x 改变时，电涡流线圈的电改变时，电涡流线圈的电感量感量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，此频率振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将必须使用鉴频器，将 f转换为电压转换为电压 Uo 。 第13页/共24页 使用使用鉴频器可鉴频器可以将以将 f f 转换为电转换为电压压 U Uo o鉴频器的输出电压与输入频率成正比鉴频器的输出电压与输入频率成正比第14页/共24页六、电涡流传感器的使用注意事项六、电涡流传感器的使用注意事项1 1、电涡流轴向贯穿深度

12、的影响、电涡流轴向贯穿深度的影响 涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的衰减深度衰减深度t t可以表示为可以表示为ftr0第15页/共24页 导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。变轴向贯穿深度。电阻率大电阻率大的材料应选用的材料应选用较高较高的励磁的励磁频率，频率，电阻率小电阻率小的材料应选用的材料应选用较低较低的励磁频率。从而的励磁频率。从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。 线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围，电

13、涡流线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围，电涡流密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近, ,涡流的密度涡流的密度非常小，愈靠近线圈的外径处，涡流的密度愈大，而在等于线非常小，愈靠近线圈的外径处，涡流的密度愈大，而在等于线圈外径圈外径1.81.8倍处倍处, ,涡流将衰减到最大值的涡流将衰减到最大值的5 5。为了充分利用涡。为了充分利用涡流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.81.8倍；倍；而当被测物体为圆柱体时，它的直径应大于线圈外径的而当被测物体为圆柱体时，它的直径应大于线圈外径的3.

14、53.5倍。倍。2 2、电涡流的径向形成范围、电涡流的径向形成范围第16页/共24页 电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少, ,当线圈与导体之间距离大于线圈半径时，电涡流强度已当线圈与导体之间距离大于线圈半径时，电涡流强度已很微弱。为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常取很微弱。为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常取距离与线圈外径的比值为距离与线圈外径的比值为0.050.050.150.15。3 3、电涡流强度与距离的关系、电涡流强度与距离的关系 由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流，由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流

15、，为了保证测量精度，测量时应禁止其它金属物体接近传为了保证测量精度，测量时应禁止其它金属物体接近传感器线圈。感器线圈。4 4、非被测金属物的影响、非被测金属物的影响第17页/共24页七、电涡流传感器的应用七、电涡流传感器的应用1 1、电涡流式传感器测位移、电涡流式传感器测位移 使用电涡流式传感器可以使用电涡流式传感器可以测量各种形状试件的位移量，测量各种形状试件的位移量，如图如图2-422-42所示。测量位移的范所示。测量位移的范围为围为0 01mm1mm或或0 030mm30mm。一般的。一般的分辨率为满量程的分辨率为满量程的0.10.1，其，其绝对值可达绝对值可达0.05m(0.05m(满

16、量程为满量程为0 05m)5m)。 凡是可以变成位移变化的非电量，如钢水液位、纱线凡是可以变成位移变化的非电量，如钢水液位、纱线张力和流体压力等，都可使用涡流式传感器来测量。张力和流体压力等，都可使用涡流式传感器来测量。试件传感器图2-6-4 电涡流传感器测位移第18页/共24页2 2、电涡流式传感器测振幅、电涡流式传感器测振幅图图2-6-5 2-6-5 振幅测量原理图振幅测量原理图1 1试件试件 2 2传感器传感器 如图如图2-6-52-6-5所示电涡流式传感器还可以用来测量各种所示电涡流式传感器还可以用来测量各种振动的振幅。为了研究机床等各部位的振动，可用多个电振动的振幅。为了研究机床等各

17、部位的振动，可用多个电涡流传感器同时检测各点的振动情况。涡流传感器同时检测各点的振动情况。第19页/共24页3 3、电涡流式传感器测转速、电涡流式传感器测转速图图2-6-6 2-6-6 电涡流式传感器测转速电涡流式传感器测转速当转轴转动时，传感器与当转轴转动时，传感器与转轴之间的距离在周期地转轴之间的距离在周期地改变着。于是它的输出信改变着。于是它的输出信号也周期性地发生变化，号也周期性地发生变化，此输出信号经放大、变换此输出信号经放大、变换后。可以用频率计测出其后。可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开的转速。若转轴上开Z Z个槽，个槽，频率计的读数

18、为频率计的读数为f f，则转轴，则转轴的转速的转速n n的数值为：的数值为：Zf60n = 在金属旋转体上开一条或数条槽，或做成齿，旁在金属旋转体上开一条或数条槽，或做成齿，旁边安装一个电涡流式传感器，如图边安装一个电涡流式传感器，如图2-6-62-6-6所示。所示。第20页/共24页4 4、电涡流式传感器测厚度、电涡流式传感器测厚度 涡流式传感器也可以用来检测金属板厚度和非金属板涡流式传感器也可以用来检测金属板厚度和非金属板的镀层厚度，如图的镀层厚度，如图2-6-72-6-7所示。所示。图图2-6-7 2-6-7 厚度测量原理图厚度测量原理图1 1试件试件 2 2传感器传感器 当金属板厚度变化时，将使金属板和传感器间的距离改当金属板厚度变化时，将使金属板和传感器间的距离改变，从而引起输出电容的变化。由于在工作过程中金属板会变，从而引起输出电容的变化。由于在工作过程中金属板会上下移动，影响测量精度，因此一般电涡流式传感器用于金上下移动，影