自动检测-第四章课件

《自动检测技术》第四章电涡流传感器本章介绍电涡流效应、趋肤效应、电涡流传感器的原理、电涡流探头结构、特性、调幅、调频转换电路，电涡流线性位移传感器、安检门、裂纹检测等的应用，介绍接近开关的概念、分类、特性、结构、工作原理、特性参数及其应用。4.1电涡流传感器的工作原理4.2电涡流传感器的结构及特性4.3电涡流传感器的测量转换电路4.4电涡流传感器的应用4.5接近开关及应用第四章电涡流传感器目录一、电涡流传感器工作原理电涡流效应演示

当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大，Q值降低，流过电涡流线圈的电流i1增大。

交变励磁引起铁心的涡流损耗Pe

减小变压器铁损耗的方法：（1）使用软磁材料减小Ph

；（2）增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗

；（3）用很薄的互相绝缘的硅钢片（0.1mm）叠成铁心，每一片硅钢片内部的电涡流需要走较长的扁形路线，减小了电涡流损耗

。ΦΦ电涡流大电涡流小电工钢（硅钢、矽钢）具有较大的电阻率和磁通密度，较小的纠顽力、电导率、剩磁和铁芯损耗，减小了变压器的损耗，提高了效率。软磁铁氧体具有较大的电阻率，所以电涡流损耗较小。与硅钢比较，在中频时还能有较高的磁导率。但是单位体积中储存的磁能较低，饱合磁化强度也较低（只有纯铁的1/5），因而不适合用于低频领域，而广泛应用于在1MHz以下的逆变电源中。

电涡流在日常生活中的应用——电磁炉

干净、高效的电磁炉铁磁材料制作的锅具底部既有较大的磁滞损耗,又能产生较大的电涡流,才能产生较大的热量锅具与励磁线圈的距离增大时，电涡流减小，产生报警信号，停止励磁。2023/2/210电磁炉工作原理框图电磁炉内部的励磁线圈电涡流在工业中的应用——中频炉

将工频50HZ交流电转变为直流电，再逆变为中频（300HZ以上至1000HZ）电压，接到中频炉的中频绕组两端，在绕组中产生高密度的交变磁力线，耐高温容器里盛放的金属原料内部产生很大的电涡流，使金属的温度升高，甚至融化。中频炉广泛用于有色金属的熔炼、淬火或锻压。中频功率源趋肤效应（集肤效应）交变磁场的频率f越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检测深度。当100kHz～2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1

，在线圈周围产生交变磁场Φ。如果将线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为趋肤效应。

圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图a）直流电流时的均匀分布b）中频电流时中心部位电密度减小c）高频电流时，电流线趋向表面分布电涡流线圈等效阻抗分析

.设电涡流线圈在高频时的等效电阻为R1（大于直流电阻），电感为L1。当有被测导体靠近电涡流线圈时，则被测导体等效为一个短路环，电涡流线圈L1与导体之间存在一个互感M。互感随线圈与导体之间距离的减小而增大。影响电涡流线圈等效阻抗的因数如果控制上式中的f、μ、σ、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为线圈与被测金属体的间距δ的单值函数，属于非接触式测量。电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z由两部分构成，即等效电感L和等效电阻R串联而成：

Z=R+jωL=f(f、μ、σ、r、δ

)上式中的μ、σ为金属导体的磁导率和电导率，r为表面因子，包括粗超度、沟痕、裂纹等。

当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，Q值降低，等效电阻R增大。由于线圈的感抗XL的减小比R的增大大得多，故此时流过电涡流线圈的电流i1增大。电涡流线圈的等效阻抗式中R、L——电涡流线圈靠近被测导体时的等效电阻和等效电感。

当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，等效电阻R增大，品质因数Q值降低：Q=ωL/R等效电阻上消耗的有功功率P增大：P=I2R电涡流线圈在不同情况下的品质因数Q值越大，曲线越尖锐，后级检测电路得到的电压就越高。Q初始电涡流用于其他非电量的测量

检测深度的控制：电涡流线圈的激励频率一般设定在100kHz~1MHz。频率越低，有效测量距离越大，能够检测被测金属体内部参数的深度也越深。如果控制间距δ不变，就可以用来检测与表面电导率σ有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率μ有关的磁性特性、表面硬度等参数。表面温度升高，电导率σ降低；表面有裂纹时，电涡流减小。第二节电涡流传感器结构及特性

电涡流探头外形及调理电路前置器交变磁场电涡流探头内部结构

1-电涡流线圈2-探头壳体3-壳体上的位置调节螺纹

4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

YD9800系列电涡流位移传感器特性

探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？

线圈直径φ/mm壳体螺纹/mm线性范围/mm最佳安装距离/mm最小被测面/mm

分辨力/μm5M8×110.515111M14×1.54235425M16×1.58470850M30×2251210010电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大——电涡流探雷器三、电涡流传感器的测量转换电路一种为调幅（AM）式电路，另一种为调频电路PM。AM：用低频信号去调制高频载波的振幅，使其振幅按低频调制信号的规律而变化。PM：用低频信号去调制高频载波的频率，使其频率按低频调制信号的规律而变化。其幅度虽然也有变化，必须经过双向限幅器，才能变为等幅波，后级电路可以用“鉴频器”来鉴别载波的频率变化，重新得到所包含的低频信号。也可以接到单片机的计数端，由单片机计算出被测量。一、调幅（AM）式电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz~2MHz）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压的衰减，输出电压Uo反映了金属体与电涡流线圈的间距。部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？定频调幅式电路的幅频曲线4根曲线与f0的交点决定调幅电路的输出电压0－探头与被测物间距很远时1－非磁性金属、间距较大时2－非磁性金属、间距较小时（Q值降低）3－磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）二、调频（FM）式电路当电涡流线圈与被测体的距离x变小时，电涡流线圈的电感量L也随之变小（非铁质），同时引起LC振荡器的输出电压及频率变高。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用“鉴频器”，可以将f转换为电压Uo。并联谐振回路的谐振频率设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调电容C0

=100pF，（1pF＝10-12F）求：探头中的振荡器的初始频率f0

。（一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）解：鉴频器特性曲线设鉴频器电路的初始频率f0=1MHz，该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝质金属板靠近时，输出电压如何变化？四、电涡流传感器的应用

一、位移测量电涡流位移传感器的输出为模拟量，例如：0~5V。当金属物体接近探头的感应面时，金属表面吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度衰减或频率变化，单片机根据ΔUo或Δf，可以计算出与被检测物体的距离、振动频率等参数。电涡流位移传感器属于非接触测量器件，工作时不受灰尘、油污等因素的影响。位移传感器的分类位移测量仪

位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等。数显位移测量仪探头电涡流位移传感器用于轴向位移的监测

1—旋转设备（汽轮机）2—主轴3—联轴器4—电涡流探头5—夹紧螺母6—发电机7—基座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显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化和曲线拟合的目的。电涡流位移传感器的静态位移标定设备

1—探头夹具2—电涡流探头3—标准圆片状试件4—千分尺测杆5—千分尺套筒6—套筒定螺钉7—千分尺8—底座9—水平调节垫脚电涡流位移传感器的标定

在标定区域里，共设置多个测量点。首先调节千分尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，使探头与试件刚好接触，计算机测得探头绝对零位的输出电压。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，每隔设定的位移（例如0.8mm），测量电涡流传感器的输出电压。电涡流位移传感器的标定过程示意图

1—正程数据（黑点☻）2—正程折线（细实线）3—回程数据（空心圆圈☺）4—回程折线（虚线）5—计算机拟合曲线（粗实线）4~20mA电涡流位移传感器外形齐平式电涡流位移传感器外形

齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。V系列电涡流位移传感器外形齐平式V系列电涡流位移传感器性能一览表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，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、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定性测量。在用作定量测量时，必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。

偏心和振动检测电涡流探头通过测量间隙来测量径向跳动电涡流探头测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个电涡流传感器，但工作频率必须错开。交变磁场测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪

测量冷轧板厚度导向辊测量尺寸、公差及零件识别

通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小电涡流探头测量注塑机开合模的间隙间距电涡流位移传感器的距离

与输出电压特性曲线1、2、3的量程和线性范围各为多少mm？振动测量检波后，得到正半周，低通滤波器滤除载波后，得到被测振动的各项参数：振幅、周期、频率、失真等。用电涡流调幅法测量简谐振动时，输出为典型的调幅波形检波二极管仅让正半周信号通过振动测量a）径向振动测量b）长轴多线圈测量c）叶片振动测量1－电涡流线圈2－被测物调频法测量振动的波形振动测量汽轮机叶片参数的检测

测量悬臂梁的振幅及频率转速测量

若转轴上开z个槽(或齿)，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

10T转速传感器与齿轮的相对位置齿轮转速测量的计算

例：设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求：该齿轮的转速n

。解：n=60f/z=60×120÷48=7200÷48=150r/min1－电涡流线圈2－被测物电动机转速测量镀层厚度测量

由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。

镀层厚度测量示意图

1－电涡流测厚仪2－金属镀层3－塑料工件电涡流涂层厚度测量仪原理塑料表面的金属镀层越厚，电涡流就越大。测量绝缘层厚度测量绝缘层厚度与测量金属镀层的原理是相反的。绝缘层越厚，探头与金属板之间的距离就越大，电涡流就越小。电涡流式通道安全检查门

安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。如果采用1~6区线圈检测技术，可以显示报警的部位。金属报警电涡流式通道金属安全检查门原理

由1个大线圈、6个小线圈、补偿线圈等组成。L11、L12与L21、L22相互垂直，成电气正交状态，无磁路交链,Ｕo=0。在有金属物体通过L11、L12形成的交变磁场H1时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流。电涡流也将产生一个新的微弱磁场H2。H2的相位与金属体位置、大小等有关，但与L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感应出电压。H2安检门灵敏度的设定根据人体基本结构，将安检门划分为6个探测区域，可进行100级灵敏度的调整，根据实际应用状况，预先设定灵敏度的级别。最高灵敏度可探测到一枚回形针大小的金属，但又可排除皮带扣、钥匙、首饰、硬币等物品。电涡流表面探伤

手持式裂纹测量仪油管探伤轴承滚子涡流探伤机轴承滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深30μm的表面微小裂纹。手提式探伤仪外形掌上型

电涡流

探伤仪用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹台式电涡流探伤仪花瓣阻抗图五、接近开关及应用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。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。

接近开关的核心部分是“感辨头”，也称探头，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。

接近开关外形接近开关外形（续）接近开关外形（续）常用的接近开关分类常用的接近开关有电涡流式（也称电感接近开关）、电容式、、超声波式、霍尔式、光电式、磁性干簧开关、微波式等。多数三线制接近开关的Vcc为电源,GND为电源地,OUT为信号线。

常见接近开关的型号说明接近开关与机械行程开关的比较1）非接触检测，不影响被测物的运行工况。2）定位准确度高。3）不产生机械磨损和疲劳损伤，耐腐蚀，动作频率高，工作寿命长。4）响应快，约几毫秒至十几毫秒。5）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。6）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求防爆的场合（防爆型）。7）易于与计算机或PLC等接口。8）体积小，安装、调整方便9）缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁。接近开关的主要性能指标

额定动作距离、复位距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。接近开关的主要性能指标（1）动作距离：当被测物由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作（输出状态变为有效状态）的距离δmin（mm）。（2）复位距离：当被测物由正面离开接近开关的感应面，接近开关转为复位时，被测物离开感应面的距离δmax。（3）动作滞差：复位距离与动作距离之差。动作滞差越大，对抗被测物抖动等造成的机械振动干扰的能力就强，但动作准确度就越差。接近开关的主要性能指标（续）（4）额定工作距离：额定工作距离指接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离内，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰而产生误动作。额定工作距离应小于动作距离，但是若设置得太小，有可能无法复位。实际应用中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，较为可靠的额定工作距离约为动作距离的75%。接近开关的主要性能指标（续）（5）重复定位准确度(重复性)：表征多次测量的最大动作距离平均值。其数值的离散性的大小一般为最大动作距离的1%～5%。离散性越小，重复定位准确度越高。（6）动作频率：每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物个数或次数称为动作频率。若接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时，接近开关就来不及响应物体的运动状态，有可能造成漏检。电涡流接近开关的工作原理电涡流接近开关由LC高频振荡器和放大调理等电路组成，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，使接近开关振荡频率或振荡幅度发生变化，由内部电路处理后，输出对应的开关量，由此识别出有无金属物体接近，进而控制外电路的通或断。电涡流接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。调幅式电涡流接近开关原理框图调幅式检测电路：以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。当被测金属与接近开关探头的距离小于设定值时，振荡电路停振。四线制接近开关的接线说明有的位移传感器同时具备两种动输出状态，可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。接近开关的术语解释标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。感辩头的直径应当小于被测体直径的1/4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（以Fe为参考金属）

对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。接近开关的术语解释（续）接近开关的安装方式：齐平式（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；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。接近开关的安装方式齐平式安装非齐平式安装接近开关的术语解释（续）响应频率f：按规定，在1秒的时间间隔内，接近开关能够响应的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。响应时间t：t=1/f

。响应频率及响应时间示意图当被检测物体在1s内掠过的个数超过接近开关的响应频率时，接近开关没有响应或出错。接近开关的术语解释（续）输出状态：常开/常闭型接近开关当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出晶体管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级NPN晶体管导通，负载得电工作。对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，输出级的PNP晶体管与VCC导通状态，接地的负载得电工作；反之则负载失电。接近开关的输出形式（续）NPN二线，NPN三线，NPN四线，PNP二线，PNP三线，PNP四线，DC二线，AC二线，AC五线（带继电器）等几种。NPN三线制接近开关的接线输出形式（1~4）负载负载输出形式（5~8）负载负载负载

接近开关的电参数术语解释导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。额定工作电流时，导通压降约为0.3V。导通压降示意图0.3V三线制NPN常开型接近开关举例OUT端与GND端的压降Uces约为0.3V，流过KA的电流IKA=(VCC-0.3)/RKA。若IKA大于KA的额定吸合电流，则KA能够可靠吸合。

a）三线制接近开关原理框图b）NPN、OC门常开输出电路c）NPN型接近开关的特性例：求NPN常开型接近开关的最大负载设某一接近开关的最大阻性输出电流IKA=300mA，工作电压VCC=24V，求:最小负载电阻（最大负载）Rmin

。解：Rmin=(VCC-0.3)/IKA=(24-0.3)V/0.3A=79Ω。若负载为感性，应大于此值的一倍,工作电流减为50%以下,且应在感性负载两端并联续流二极管，反向接法，见下图。灌电流没有续流时，感性负载在断开瞬间的过电压NPN常开型接近开关的施密特特性

当被测物体未靠近接近开关时，UB=0，OC门的基极电流IB=0，OC门截止，OUT端为高阻态（接入负载后为接近电源电压的高电平）；当被测体逐渐靠近，到达动作距离δmin时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平（约0.3V）。

当被测物体逐渐远离接近开关,到达复位距离δmax时,OC门再次截止,KA失电。Δδ为接近开关的动作滞差（