自动检测技术及应用ppt课件第4 电涡流传感器课件

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。第四章电涡流式传感器一、基本工作原理1、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“电涡流效应”。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。2、工作原理根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。........二、电涡流形成范围1.电涡流的径向形成范围线圈—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：①电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。②电涡流密度在ri=0处为零。③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。④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）。2.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。以上分析表明：①电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于电磁场不能穿过导体的无限厚度，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：

3.电涡流的轴向贯穿深度式中：d——金属导体中某一点与表面的距离；

Jd——沿H1轴向d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；

h——电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。式中:f——线圈激磁电流的频率。

三、电涡流传感器等效电路ω——线圈激磁电流角频率；R1、L1——线圈电阻和电感；M——互感系数。解得等效阻抗Z的表达式为式中：Req——线圈受电涡流影响后的等效电阻Leq——线圈受电涡流影响后的等效电感线圈的等效品质因数Q值为四、电涡流传感器测量电路1.调频式电路传感器线圈接入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Ｖ1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为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。由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。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（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压式中,Z为LC回路的阻抗。当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回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L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。

2.调幅式电路五、电涡流传感器的应用1.低频透射式涡流厚度传感器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上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通φ1，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φ1′，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1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1%。.....2.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Δδ，则两传感器与带材之间的距离也改变一个Δδ，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU。ΔU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。图所示为电涡流式转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。3.电涡流式转速传感器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+Δd。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随Δd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600000r/min。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

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。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的扁平线圈。线圈的导线应选用电阻