自动检测技术及应用ppt课件第4 电涡流传感器

1、传感器及检测技术 根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流, 此电流叫电涡流, 以上现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况, 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类, 但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量, 另外还具有体积小, 灵敏度高, 频率响应宽等特点, 应用极其广泛。 第四章第四章 电涡流式传感器电涡流式传感器传感器及检测技术一、基本工作原理一、基本工作原理 1

2、、电涡流效应：、电涡流效应： 根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩涡或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩涡状的感应电流，成为电涡流，这种现象称为状的感应电流，成为电涡流，这种现象称为“电涡流效电涡流效应应”。 特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。材料损伤等进行非接触式连续测量。传感器及检测技术2、工作原理、工作原理 根据法拉第定律，当传感器根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流线圈通以正弦交变电流I

3、1时，线时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁圈周围空间必然产生正弦交变磁场场H1，使置于此磁场中的金属导，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流体中感应电涡流I2，I2又产生新的又产生新的交变磁场交变磁场H2。根据愣次定律，。根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场的作用将反抗原磁场H1，由于磁，由于磁场场H2的作用，涡流要消耗一部分的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，抗发生变化。由上可知， 线圈阻线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。体的电涡流效应。. .传感器及检测技术二、电涡流形成范围二、

4、电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11电 涡 流 线 圈 ； 2等 效 短 路 环 ； 3电 涡 流 密 度 分 布传感器及检测技术 线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图所示。J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度）。由图可知： 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。 电涡流密度在r

5、i=0处为零。 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。 可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 2aiasasrrrr传感器及检测技术 2. 电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用， 可以得到金属导体表面的电涡流强度为 22121asrxxII式中： I1线圈激励电流； I2金属导体中等效电流； x线圈到金属导体表面距离； ras线圈外径。 传感器及检测技术 以上分析表明： 电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而

6、迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。 传感器及检测技术 所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处处的表面厚度。由于电磁场不能穿过导体的无限厚度，的表面厚度。由于电磁场不能穿过导体的无限厚度， 仅作仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：数衰减分布规律可用下式

7、表示： hddeJJ/0 3. 电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度式中：式中：d金属导体中某一点与表面的距离；金属导体中某一点与表面的距离； Jd沿沿H1轴向轴向d处的电涡流密度；处的电涡流密度； J0金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值； h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。传感器及检测技术210)(fuhr式中: f线圈激磁电流的频率。 传感器及检测技术三、电涡流传感器等效电路三、电涡流传感器等效电路0111111ILjIRIMjUIMjILjIR线圈激磁电流角频率； R1、L1线圈电阻和电感； M互

8、感系数。 传感器及检测技术解得等效阻抗Z的表达式为 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ12122122121221221式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻 12122122RLRMRReqLeq线圈受电涡流影响后的等效电感 12122122LLRMLLeq线圈的等效品质因数Q值为 eqeqRLQ传感器及检测技术四、电涡流传感器测量电路四、电涡流传感器测量电路1. 调频式电路调频式电路频 率 计f-V电 压 表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f传感器及检测技术 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改

9、变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器电路如图(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为 CxLf)(21为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。 传感器及检测技术由传感器线圈由传感器线圈L、电容器、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如

10、图所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激）稳定的激励电流励电流io，LC回路输出电压回路输出电压 )(ZfiUoo式中式中, Z为为LC回路的阻抗。回路的阻抗。 放 大检 波指 示RioLCUo 当金属导体远离或去掉时，当金属导体远离或去掉时，LC并并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率率fo，回路呈现的阻抗最大，回路呈现的阻抗最大， 谐振回谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L

11、发生变化，导致回路失谐，从而使发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，输出电压降低，L的数值随距离的数值随距离x的变的变化而变化。因此，输出电压也随化而变化。因此，输出电压也随x而而变化。输出电压经放大、变化。输出电压经放大、 检波后，检波后， 由指示仪表直接显示出由指示仪表直接显示出x的大小。的大小。 2. 调幅式电路调幅式电路传感器及检测技术被 测 金 属 板L1L2111U2U五、电涡流传感器的应用五、电涡流传感器的应用 1. 低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器传感器及检测技术 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上

12、加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流, 并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚， 涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1100 mm， 分辨率为0.1 m，线性度为1%。 .传感器及检测技术2. 高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 厚度给定系统S1检波

13、比较电压检波S2加法器指示仪表带材xx1x2传感器及检测技术 为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。如果被测带材厚度改变量为，则两传感器与带材之间的距离也改变一个，两传感器输出电压此时为2UoU。U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。 带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。 传感器及检测技术 图所示为电涡流式转

14、速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器， 输入轴与被测旋转轴相连。 振荡器高频放大器检波器整形电路d输入轴d0传感器fn 3. 电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器传感器及检测技术 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。 该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出频率为fn的脉冲信号。 该信号经电

15、路处理便可得到被测转速。 这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强， 可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600 000r/min。 传感器及检测技术 若旋转体上已开有一条或数条槽或做成齿状则可在旁边安装一个电涡流式传感器，如图4-18所示。当转轴转动时，传感器周期也改变着与旋转体表面之间的距离。于是它的输出也周期性的发生变化，此输出信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速，若转轴上开P个槽频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为pfn60传感器及检测技术传感器及检测技术 当金属体靠近电涡流探头时，随着金属体表面电涡流的增大，电涡流的Q值越来越低，振荡器的振荡幅度也越来越低。当两者的距离小于某一限定值时，振荡器停振，比较器输出高电平，报警器报警，执行机构操作。传感器及检测技术 电涡流式传感器的结构电涡流式传感器的结构电涡流式传感器的结构比较简单， 主要是一个绕制在框架上的线圈， 目前比较普遍使用的是矩形截面