常用传感器工作原理电涡流式实用教案

1、1何谓(hwi)涡流？在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动(lidng)。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。 3.5 电涡流(wli)式传感器当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）将集中在导体表面流通，尤其当频率较高时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。第1页/共23页第一页，共24页。2交变电流频率(pnl)

2、越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度 ：h)(5030cmfhr可见，涡流穿透深度与激励电流频率(pnl)有关，所以根据激励频率(pnl)高低，涡流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量(cling)，适用范围广。用来测量(cling)位移、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。rf导体的电阻率导体相对磁导率交变磁场频率第2页/共23页第二

3、页，共24页。3高频(o pn)反射式如图所示，金属板置于一只线圈(xinqun)的附近，它们之间相互的间距为，当线圈(xinqun)输入一交变电流i1 时，便产生交变磁通量1 ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2 ，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场2，与线圈(xinqun)的磁场变化方向相反， 2总是抵抗1的变化，由于涡流磁场2的作用使原线圈(xinqun)的等效阻抗发生变化。1i12i2涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗(zkng)的变化而进行测量的。1MHz第3页/共23页第三页，共24页。4一般讲，线圈(xinqu

4、n)的阻抗变化与金属导体的电阻率 、磁导率 、线圈(xinqun)与金属导体的距离 以及线圈(xinqun)激励电流的频率 等参数有关 。f即，线圈阻抗 是这些(zhxi)参数的函数，可写成(,)Zff Z1i12i2第4页/共23页第四页，共24页。5若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个(y )参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量(cling)，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。利用变换量 、 、 等的综合(zngh)影响，可以做成探伤装置等。其应用大致有下列四个方面：利用位移 作为变化量，可以测被测量位移、厚度

5、、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率 作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器利用磁导率 作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；(,)Zff 第5页/共23页第五页，共24页。6基本(jbn)结构： 1234561 线圈 2 框架 3 衬套4 支架 5 电缆(dinln) 6 插头高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸(ch cun)、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。下图

6、为CZF1型涡流传感器的结构原理，它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6页/共23页第六页，共24页。7型号线性范围/m线圈外径/mm分辨力/m线性误差（%）使用温度/CCZF1-1000 1000 7 1 3 -15+80 CZF1-30003000 1533 -15+80CZF1-5000500028 5 3 -15+80 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论： 线圈外径线圈外径(wi jn)与测量范围及分辨力之间有何关系？与测量范围及分辨力之间有何关系？ 线圈外径(wi jn)越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。第7页/共23页第七页，共24页。

7、8非接触电涡流式位移、振动传感器，具有非接触测量、线性范围较宽，灵敏度高、抗扰动能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。广泛应用于冶金、化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速(zhun s)、厚度、表面不平度等机械量的检测。 第8页/共23页第八页，共24页。9大直径大直径(zhjng)(zhjng)电涡流探雷器电涡流探雷器 第9页/共23页第九页，共24页。10低频(dpn)透射式发射线圈发射线圈L1和接收线圈和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频渗透深，当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加

8、到线圈加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板，使线圈过金属板，使线圈L2产生感应电动势产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。试验表明的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。试验表明e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材料的性质一定指数规律减少，因此，若金属板材料的性质一定(ydng)

9、，则利用，则利用e2的变化即可测的变化即可测厚度。厚度。第10页/共23页第十页，共24页。11第11页/共23页第十一页，共24页。12测量(cling)电路：阻抗分压式调幅电路(dinl)和调频电路(dinl)12fLC并联谐振(xizhn)回路( )Zf阻抗分压式调幅电路是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z因而传感线圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法第12页/共23页第十二页，共24页。13调频(dio pn)电路调频法是以LC振荡(zhndng)回

10、路的频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离发生变化时，将引起线圈电感的变化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过(tnggu)鉴频器进行频率电压转换，即可得到与 成比例的输出电压。第13页/共23页第十三页，共24页。14应用(yngyng)1. 位移(wiy)测量主要用途之一，凡是可以(ky)变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。2. 转速测量在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n）金属体，旁边安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改

11、变输出信号，由频率计数，求出转速：60nfN3. 电涡流探伤可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。第14页/共23页第十四页，共24页。15高频(o pn)反射式涡流厚度传感器第15页/共23页第十五页，共24页。16涡流轴心(zhu xn)轨迹测量第16页/共23页第十六页，共24页。17涡流(wli)振动测量涡流(wli)转速测量第17页/共23页第十七页，共24页。18第18页/共23页第十八页，共24页。19利用涡电流

12、传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时能否进行位移测量？为了能对物体进行位移测量应采取(ciq)什么措施。思 考第19页/共23页第十九页，共24页。20电涡流电涡流(wli)(wli)的应用的应用 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(gnjng)、高、高效的效的 电磁炉电磁炉第20页/共23页第二十页，共24页。21电磁炉内部的励磁电磁炉内部的励磁(l c)线线圈圈第21页/共23页第二十一页，共24页。22电磁炉的工作电磁炉的工作(gngzu)原理原理 高频电流通高频电流通过励磁线圈，产过励磁线圈，产生交变磁场生交变磁场(cchng)，在，在铁质锅底会产生铁质锅底会产生无数的电涡流，无数的电涡流，使锅底自行发热，使锅底自行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。物。第22页/共23页第二十二页，共24页。23感谢您的观看(gunkn)！第23页/共23页第二十三页，共24页。NoImage内容(nirng)总结1。在许多电工设备中都存在大块(d kui)导体(如发电