检测技术课件(第四章)

1、1自动检测与转换技术自动检测与转换技术第第3 3版版 第四章第四章 电涡流传感器电涡流传感器2第四章第四章 电涡流传感器电涡流传感器电涡流传感器主要用于金属探测（安全检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、表测等）、微小位移和振动测量，以及转速、表面状态等诸多与电涡流有关的参数，还可以用面状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开关。于无损探伤及接近开关。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。3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 当金属导体当金属导体置于变化的磁

2、置于变化的磁场中时，导体场中时，导体表面会产生感表面会产生感应电流。电流应电流。电流的流线在金属的流线在金属体内自行闭合。体内自行闭合。这种现象称这种现象称为为电涡流效应电涡流效应。这种由电磁这种由电磁感应原理产生感应原理产生的旋涡状感应的旋涡状感应电流称为电流称为电涡电涡流流。4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 当导体处于交流磁场中时，铁心会因电磁感应而当导体处于交流磁场中时，铁心会因电磁感应而在其内部产生自行闭合的电涡流并发热。在其内部产生自行闭合的电涡流并发热。为减小电涡流，避免设备烧毁，变压器和交流电为减小电涡流，避免设备烧毁，变压器和交流电流机的铁心用硅钢片又叠

3、至而成。流机的铁心用硅钢片又叠至而成。电涡流引起的发热现象有时亦可用来做有用的工电涡流引起的发热现象有时亦可用来做有用的工作，如电磁作，如电磁 炉、电磁灶等均是采用电涡流原理而工炉、电磁灶等均是采用电涡流原理而工作的。作的。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流通高频电流通过励磁线圈，过励磁线圈，产生交变磁场，产生交变磁场，在铁质锅底会在铁质锅底会产生无数的电产生无数的电涡流，使锅底涡流，使锅底发热，烧开锅发热，烧开锅内食物。内食物

4、。8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 在电涡流效应中，电涡流线圈受被测物体表面电涡在电涡流效应中，电涡流线圈受被测物体表面电涡流的影响，线圈的等效阻抗流的影响，线圈的等效阻抗Z Z将会产生变化。将会产生变化。距离距离x x、被测物体的磁导率、被测物体的磁导率、电导率、电导率、导体表、导体表面因素面因素r( r(粗糙度、裂纹等粗糙度、裂纹等) )等均会影响线圈的等效阻抗。等均会影响线圈的等效阻抗。等效阻抗：电路中电阻、电感、电容对交流电的阻等效阻抗：电路中电阻、电感、电容对交流电的阻碍作用的统称。阻抗的单位是欧。阻抗衡量流动于电碍作用的统称。阻抗的单位是欧。阻抗衡量流动于电

5、路的交流电所遇到的阻碍。路的交流电所遇到的阻碍。ZF xr （ ， ， ， ）9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 10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 若能控制被测物体的磁导率若能控制被测物体的磁导率、电导率、电导率、导体表、导体表面因素面因素r r不变，则电涡流线圈的等效阻抗不变，则电涡流线圈的等效阻抗Z Z就仅取决于就仅取决于距离距离x x的大小。的大小。根据这一原理，可制成电涡流位移传感器等。根据这一原理，可制成电涡流位移传感器等。事实上，电涡流线圈的阻抗事实上，电涡流线圈的阻抗Z Z与与、 r r、x x之间之间的关系并非均是线性关系，须由计

6、算机进行线性化纠的关系并非均是线性关系，须由计算机进行线性化纠正。正。ZF xr （ ， ， ， ）11集肤效应集肤效应实践证明，直流电通过导体时，导体的横截面积上实践证明，直流电通过导体时，导体的横截面积上各处的电流密度相等；各处的电流密度相等； 而交流电通过导体时，导体横而交流电通过导体时，导体横截面积上电流是不均匀的。越是靠近导线中心，电流截面积上电流是不均匀的。越是靠近导线中心，电流密度越小；越是靠近导体表面，电流密度越大。密度越小；越是靠近导体表面，电流密度越大。这种这种交变电流在导体内趋于导线表面的现象称为交变电流在导体内趋于导线表面的现象称为集肤效应集肤效应（也称表面效应或趋肤效

7、应）。（也称表面效应或趋肤效应）。12集肤效应的影响集肤效应的影响( (不利的一面和有利的一面）：不利的一面和有利的一面）：不利一面：对传输高频电流是不利的。不利一面：对传输高频电流是不利的。有利一面是：高频淬火。由于集肤效应工件表面发有利一面是：高频淬火。由于集肤效应工件表面发热中心几乎不热。就可达到使工件表面硬度高内部韧热中心几乎不热。就可达到使工件表面硬度高内部韧性好的目的。性好的目的。集肤效应集肤效应第二节第二节 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14电涡流传感器结构电涡流传感器结构电涡流传感器的核心是一只线圈，工业中也称为电涡流

8、传感器的核心是一只线圈，工业中也称为“电涡流探头电涡流探头”。由于激励源频率很高，所以一般采。由于激励源频率很高，所以一般采用扁平空心线圈，有时为了使磁力线集中，可将线圈用扁平空心线圈，有时为了使磁力线集中，可将线圈绕在直径和长度都很小的高频铁氧体磁心上，置于探绕在直径和长度都很小的高频铁氧体磁心上，置于探头端部。头端部。电涡流探头内部结构电涡流探头内部结构 1 1电涡流线圈电涡流线圈 22探头壳体探头壳体 33壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 44印制线路板印制线路板 55夹持螺母夹持螺母 66电源指示灯电源指示灯 77阈值指示灯阈值指示灯 88输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 99电缆

9、插头电缆插头 CZF-1CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 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有何探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？关系？17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（AMAM）电路）电路电涡流探头电涡流探头L L和固定电容和固定电容C C0 0组成组成LCLC振荡器。当被测振荡器。当被测金属导体距探头相当远时，振荡器的输出电压金属导体距探头相当远时，振荡器的输出电压u u0 0最大。最大。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（AMAM）电

10、路）电路当被测金属体从水平方向（当被测金属体从水平方向（x x2 2方向）或垂直方向方向）或垂直方向（x x1 1方向）靠近探头时，吸收了探头电磁场的部分能方向）靠近探头时，吸收了探头电磁场的部分能量，使量，使u u0 0降低。降低。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（AMAM）电路）电路输出电压幅度变化与位移输出电压幅度变化与位移x x不是线性关系，须由计不是线性关系，须由计算机线性化之后才能由数码管显示出位移量。算机线性化之后才能由数码管显示出位移量。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（AMAM）电路）电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频

11、振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz2MHz(100kHz2MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料）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，输出电压压的衰减，输出电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈反映了金属体对电涡流线圈的距离。的距离。二、调频（二、调频（FMFM）式电路）式电路(100kHz1MHz(100kHz1MHz） 第三节第三节 测量转换电路测量转换电路 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 x 改变时，电涡流线圈改变时，电涡流线圈的电感量的电感量L L

12、随之改变，引起随之改变，引起LC LC 振荡器的输出频率变化。振荡器的输出频率变化。经鉴频器后，将经鉴频器后，将 f f转换为电压转换为电压 U Uo o 。 二、调频（二、调频（FMFM）式电路）式电路(100kHz1MHz(100kHz1MHz） 第三节第三节 测量转换电路测量转换电路 并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 01 2fLC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电子器件。的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流当金属物体接近此感应面时，金属表

13、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，根据衰减量的变化衰减量的变化或或振荡频率振荡频率的变化，可计算的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于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，可，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。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、位置、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度

14、偏心率、冲程、宽度等。等。来自不同应用领域来自不同应用领域的许多量都可归结为的许多量都可归结为位移或间隙变化。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27420mA420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形28电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形齐平式齐平式在汽轮机在汽轮机 等机械中，常用电涡流传感器监控主轴等机械中，常用电涡流传感器监控主轴径向、轴向振动。在研究机器振动时，常采用多个传径向、轴向振动。在研究机器振动时，常采用多个传感器放置在机器不同部分进行检测，得到各个位置的感器放置在机器不同部分进行检测，得到各个位置的振幅值和相位值，从而画出振型图。振幅值和相位

15、值，从而画出振型图。机械振动是由多个不同频率的振动合成的，其波机械振动是由多个不同频率的振动合成的，其波形一般不是正弦波。形一般不是正弦波。第四节第四节 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 二、振动测量二、振动测量30利用电涡流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4-6c4-6c所示，输出所示，输出的振动波形如图的振动波形如图4-74-7所示，请分析与被测振动有关的结果。所示，请分析与被测振动有关的结果。振动的基波周期振动的基波周期T T约为约为2.52.5格格10ms/10ms/格格25ms25ms；振动的基波频率振动的基波频率f f约为约为1/ 1/T T1/0.025

16、s1/0.025s40Hz40Hz；振动的输出电压峰峰值振动的输出电压峰峰值U UPPPP约为约为(2(2格格40mV/40mV/格格) )80mV80mV，输出电压幅值，输出电压幅值U UP P约为约为40mV40mV。若测振仪的灵敏度为若测振仪的灵敏度为0.5mm/mV0.5mm/mV，则振动的振幅，则振动的振幅x x约为约为20mm20mm。31偏心和振动检测偏心和振动检测32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33测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构振动测量，须使用多个传对桥梁、丝杆等机械结构振动测量，须使用多个传感器。感器。34测量封口机工作

17、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35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出电压及数使用千分尺，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，从而达到线性显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。化的目的。电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线电涡流位移传感器的距离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？38若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽( (或齿或齿) )，频率计的读数为

18、，频率计的读数为f f（单位（单位为为HzHz），则转轴的转速），则转轴的转速n n（单位为（单位为r/minr/min）的计算公式）的计算公式为为 60r fnz（/min）第四节第四节 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 三、转速测量三、转速测量39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=48，测得频率，测得频率 f f=120Hz=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 n 。40电动机转速测量电动机转速测量四、电涡流式通道安检门四、电涡流式通道安检门 安检门的内部设置有安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。发射线圈和接收

19、线圈。当有金属物体通过时，当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判电压的大小、相位来判定金属物体的大小。定金属物体的大小。42安检门安检门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在安检门的上中下中，的上中下中，安装多个电安装多个电涡流线圈，涡流线圈，有金属穿过有金属穿过时，对应位时，对应位置报警。还置报警。还在一侧安装在一侧安装一台一台“软软x x光光”扫描仪，它能显示衣服里头的物体形状扫描仪，它能显示衣服里头的

20、物体形状和密度，对人体、胶卷无害。和密度，对人体、胶卷无害。 43利用电涡流传感器可以检查金属表面的裂纹以用利用电涡流传感器可以检查金属表面的裂纹以用焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器应与被测导体保焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器应与被测导体保持距离不变。持距离不变。由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流突变，从而引起输出电压的突变。电涡流突变，从而引起输出电压的突变。五、电涡流表面探伤五、电涡流表面探伤 44手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤电涡流传感器表面探伤电涡流传感器表面探伤 滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机是由

21、滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深设备，可探出深 30m30m的表面微小裂纹。的表面微小裂纹。46手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形47掌上型掌上型电涡流电涡流探伤仪探伤仪48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）内检测有无物体靠的距离（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离范围内时，就发出近。当物体进入其设定距离范围内时，就发出“动

22、作动作”信号，该信号属于开关信号（高电平或信号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。低电平）。接近开关能直接驱动中间继电器。多数接近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，开关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。壳体上多带有螺纹或安装孔，以便于安装和调整。第五节第五节 接近开关简介接近开关简介 接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制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，和限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定金属物体的存在和位置，测量物位等。确定金属物

23、体的存在和位置，测量物位等。51接近开关接近开关 接近开关核心部分是接近开关核心部分是“感辨头感辨头”，它，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。在生对正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物界，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。外线；而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应变片、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。开关，因为它们属于接触式测量。52接近开关外形接近开关外形 53接近开关外形接近开关外形 54接近开关外形（续）接近开关外形（续） 一、常用的接近开关分

24、类一、常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式（以下简称电感接近开常用的接近开关有电涡流式（以下简称电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式波式 、超声波式等。、超声波式等。 一、常用的接近开关分类一、常用的接近开关分类 （1 1）电涡流式）电涡流式 即电感式，只对导电良好的金属即电感式，只对导电良好的金属起作用。起作用。（2 2）电容式）电容式 对接地的导电物体起作用，对对接地的导电物体起作用，对非地电位的导电物体灵敏度稍差。非地电位的导电物体灵敏度稍差。（3 3）磁性干簧开关（干簧管）磁性干簧开关（干簧管） 只对磁性较强

25、的只对磁性较强的物体起作用。物体起作用。（4 4）霍尔式）霍尔式 只对导磁体起作用只对导磁体起作用二、接近开关的特点及性能指标二、接近开关的特点及性能指标 特点特点（1 1）非接触检测，不影响被测物的运行工况，需）非接触检测，不影响被测物的运行工况，需施加机械力；施加机械力；（2 2）不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长；）不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长；（3 3）响应快，响应时间可小于几毫称；）响应快，响应时间可小于几毫称；（4 4）无触点、无火花、无噪声、防爆性能较好、）无触点、无火花、无噪声、防爆性能较好、体积小、安装、调整方便；体积小、安装、调整方便；（5 5）全密封结构，防

26、潮、防尘，故障率低；）全密封结构，防潮、防尘，故障率低；（6 6）缺点是）缺点是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。触点容量较小、输出短路时易烧毁。 58动作距离：标准检测体靠近开关，在接近开关动动作距离：标准检测体靠近开关，在接近开关动作时，从开关壳体到检测体的距离。作时，从开关壳体到检测体的距离。设定距离：开关在实际使用中被设定的安装距离。设定距离：开关在实际使用中被设定的安装距离。复位距离：检测体远离接近开关，在接近开关输复位距离：检测体远离接近开关，在接近开关输出电平复位时，从开关壳体到检测体的距离。出电平复位时，从开关壳体到检测体的距离。动作滞差：动作滞差：动作频率：允许每秒钟连续不断

27、地进入接近开关动作频率：允许每秒钟连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物体的最高个数。的动作距离后又离开的被测物体的最高个数。 二、接近开关的特点及性能指标二、接近开关的特点及性能指标 59动作滞差动作滞差四、电涡流接近开关工作原理四、电涡流接近开关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电路组成高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近感辨头时，表面产生涡流。这个涡流金属物体在接近感辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减振荡能力衰减，内部内部电路的参数发生变化电路的参数发生变化，由此识别出有无金属

28、物体接近，由此识别出有无金属物体接近，进而进而控制开关的通或断控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物。这种接近开关所能检测的物体必须是体必须是导电性能良好的金属物体。导电性能良好的金属物体。不同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材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以（以FeFe为参考金属）为参考金属） 不同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材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（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，则灵敏度灵敏度越高越高；被测体是；被测体是磁性材料磁性材料时，其磁导率将影响电涡流时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的QQ值。值。磁滞损耗大时，其磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高灵敏度通常较高。接近开关的安装接近开关的安装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平式非齐平式。齐平。齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低；非物件形成同一表面，不易被碰坏，