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1、自动检测与转换技术 第四章 电涡流传感器第四章 电涡流传感器 本章学习电涡流传感器的原 理及应用，并涉及接近开关的原 理、结构、特性参数及应用。 第一节 电涡流传感器工作原理 一、电涡流效应 电涡流传感器是根据电 涡流效应进行工作的，即利 用金属导体置于变化的磁场 中，产生感应电流，从而在 金属体内形成自行闭合的电 涡流线，这种现象称为电涡 流效应。 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。感抗XL的变化比R的变化大 得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。 线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号i1 正弦交变磁场H1 金属导体内
2、就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈改变了电感 电涡流原理 电涡流的应用 干净、高效的电磁炉 电磁炉内部的励磁线圈 电磁炉的工作原理 高频电流通 过励磁线圈，产 生交变磁场，在 铁质锅底会产生 无数的电涡流， 使锅底自行发热 ，烧开锅内的 食物。 二、集肤效应 集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、 磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深 度就越浅，集肤效应越严重。 当金属导体置于变化的磁场中，产生电涡流， 而电涡流在金属导体的纵深方向并不均匀，只集中 在金属导体的表面，这种现象称为集肤效应（也称 趋肤效）。 三、等效阻抗分析 检测深度与激励源频率有何关系？ 电涡流线圈等效阻抗Z的函
3、数表达式为： Z=R+jL=f（i1、f、r、x） 如果控制上式中的i1、f、r不变，电涡 流线圈的阻抗可以反映哪个量？属于接触式测量还 是非接触式测量？ 电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电 导率、磁导率及线圈的几何参数、激励电流的频率及 线圈到被测金属导体的距离等参数有关。 等效阻抗与非电量的测量 检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能 检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深 度。激励源频率一般设定在100kHz-1MHz。频率越低， 检测深度越深。 间距的测量：如果控制式中的i1、f、r不变 ，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样 就成为非接触地测量位移
4、的传感器。 其他用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测 与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或 者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度 等参数。 第二节 电涡流传感器结构及特性 电涡流探头外形 交变磁场 一、传感元件：电涡流探头。 是一个固定在框架上的扁平线圈，激励源 频率较高（数十千赫至数兆赫）。 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电源指示灯 7阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线 9电缆插头 CZF-1系列传感器的性能 分析上表： 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？ 二、被测体材料、形状对灵敏度的影响
5、（1）被测体材料： 对非磁性材料：被测体的电导率越高，灵敏度越高 对磁性材料：磁导率影响是电涡流线圈的感抗，磁滞损耗 影响电涡流线圈的Q值，灵敏度视具体情况而定 （2）被测体形状 圆盘状物体：物体直径应大于线圈直径的2倍以上，否则 灵敏度降低 轴状圆柱体的圆弧表面：直径必须为线圈直径的4倍以上 大直径电涡流探雷器 第三节 测量转换电路 一、调幅式（AM）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压用于激励电涡 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 端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流 电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响。 l当被测体为非磁性金属时， 探头线
6、圈的等效电感L减小、 R增大，引起Q值下降。并联 谐振回路的谐振频率f1f0， 处于失谐状态，输出电压大 大降低。 l当被测体为磁性金属时，探 头线圈的等效电感L略增大、 Q值下降，输出电压也大大降 低。 l被测体与探头间距越小，输 出电压越低。 二、调频（FM）式电路(100kHz-1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈 的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化， 此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示 或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。 并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容 C0=200pF，求振荡器的频
7、率f 。 鉴频器特性 使用鉴频器可以将f 转换为电压Uo 鉴频器的输出电压与输入频率成正比 鉴频器在调频式电路中的应用 设电路参数如上页 ，计算电涡流线圈未接 近金属时的鉴频器输出 电压Uo；若电涡流线圈靠 近金属后，电涡流探头 的输出频率f 上升为 500kHz，f 为多少？输 出电压Uo又为多少？ 作业 P75：第6题 休息一下 第四节 电涡流传感器的应用 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。只要固定其他因素就可以用电涡流传 感器来测量剩下的一个因素。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
8、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。 即使要用作定量测 量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补 偿等措施。 一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应 面时，金属表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衰减，根据衰减量的变 化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这 种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非 金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使 用。 位移传感器的分类 （a）测量轴的 轴向振动
9、1、位移计的几种实例 （c）测量金属试 件的热膨胀系数 （b）测量磨床换向阀、先 导阀的轴位移 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，来自 不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。 2、位移测量仪外形 数显位移测量仪及探头 电涡流传感器可用来测 量各种形状金属导体试件的 位移量。如汽轮机主轴的轴 向位移。测量位移范围可从 01mm到030mm。 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 3、电涡流位
10、移传感器的应用 偏心和振动检测 通过测量间隙来测量径向跳动 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 多个传感器。 测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度 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 测量注塑机开合模的间隙 间距 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 性化的目的。 电涡流位移传感器的距离 与输出电压特性曲线 1量程为10mm 2量程为16mm 3量程为20mm 二、振动测量 用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探
11、 头的输出波形。 调频法测量振动的波形 振动测量 振动测量实例 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅 及频率 三、转速测量 在金属旋转体上开一条或数条槽，在靠近金属旋转 体的地方安装一个电涡流传感器，当转轴转动时，传感 器周期性地改变着与旋转体表面之间的距离，其输出也 周期性地变化，此信号经放大、变换后，可用频率计测 出其变化频率，从而测得转轴的转速。 转速测量过程 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 齿轮转速测量 例：下图中，设齿数z =48，测得频率f=120Hz， 求该齿轮的转速n 。 电动机转速测量 四、镀层厚度测量
12、 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。 电涡流测厚演示 电涡流涂层厚度仪 电涡流涂层厚度仪原理图 五、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。 在安检门的侧面还安装一台 “软x光”扫描仪，它对人体、 胶卷无害，用软件处理的方法， 可合成完整的光学图像。 安检门演示 当有金属物体穿越 安检门时报警 六、电涡流表面探
13、伤 利用电涡流传感器可检查金属表面裂纹及焊接处缺陷 。探伤时，传感器与被测金属导体保持一定距离不变， 检测时，如出现裂纹等缺陷，会引起导体电导率、磁导 率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压突变。 手持式裂纹测量仪 油管探伤 探伤演示 滚子涡流探伤机 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 30m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 七、计数 作业 P74：第2题 休息一下 第五节 接近开关简介 l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
14、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。 l接近开关的核心部分是“感辨头”，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 接近开关外形 一、常用的接近开关分类 l自感、差动变压器式：对导磁体 l电涡流式（俗称电感接近开关）：对导电良好的 金属 l电容式：对接地的金属或导电体 l磁性干簧开关：对磁性较强物体 l霍尔式：对磁性物体 l光电式、微波式 、超声波式等：远距离非接触测 量 二、接近开关的特点 与机械开关相比，接近开关具有如下特点： 非接触检测，不影响被测物的运行工况； 不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长； 响应快，一般响应时间可达几
15、毫秒或十几毫秒； 采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强 ； 无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合 （防爆型）； 输出信号大，易于与计算机或PLC等接口； 体积小，安装、调整方便。 它的缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁 。 三、接近开关的主要性能指标 （1）额定动作距离：在规定条件下所测到的接近开关的 动作距离（单位为mm）； （2）工作距离：接近开关在实际使用中被设定的安装距 离。在此距离内，不产生误动作； （3）动作滞差：指动作距离与复位距离之差的绝对值。 滞差大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能 力就强； （4）重复定位精度(重复性)：它表征多次测量
16、动作距离 。其数值的离散性的大小一般为动作距离的1%5%。离 散性越小，重复定位精度越高。 （5）动作频率：指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。 四、电涡流接近开关的工作原理 电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关 量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路 组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡 感辨头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近 开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变 化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或 断。这种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。 电涡流接近开关原理框图 五、常见接近开关的型号说明 六、接近开关的术语解释 1、动作（检测）距离: 动作距离是指检测体按一定方 式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关 动作时测得的检测面的空间距离。额定动作距离是指接 近开关动作距离的标称值。 2、工作距离：指接近开关在实际工作中的整定
