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1、2019/5/21,1,机电类 自动检测技术 第四章 多媒体课件 统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor- 或 2013年1月版,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,第一节
2、 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 。,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
3、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。,2019/5/21,10,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
4、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100kHz2MHz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。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
5、,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,二、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、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+jL=f(f、r、 ) 上式中的、
6、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=L/R 等效电阻上消耗的有功功率P 增大： P=I 2R,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
7、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100kHz1MHz。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磁性特性、表面硬度等参数。 表面温度升高，电导率 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
8、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？,电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大电涡流探雷器,第三节 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
9、荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz2MHz）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）
10、，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C 0 =200pF， （1pF10-12F） 求：探头中的振荡器的初始频率f 0 。 （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？,第四节 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：05V。当金属物体接近探头的感应面时，金属表面吸取电涡流
11、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Uo或f，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
12、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）,420mA电涡流位移传感器外形,齐平
13、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
14、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？,二、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
15、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,叶片共振法振动测量波形,汽轮机叶片的激振测量示意图,可以用激振小锤敲击叶片根部，利用李萨如（李沙茹）图形法测量汽轮机叶片的共振频率。而现在更多地利用计算机直接计算出振动信号的多项参数。,李萨如（Jules Antoine Lissajous）图形,振动传感器的输出接到示波器的Y轴上，信号发生器的输出接到示波器的X轴上，示波器的光点的运动轨迹就是李萨如图形。如果两个信号的频率相同，光点的轨迹为一个椭圆。整数倍比例时,光点的轨迹见2:1、3:1、3:2等图形,李萨如图形与两个信号
16、的相位差有关。,2:1和4:3及8:5时李萨如图形的动画演示,振幅、周期、频率的计算,叶片振动的周期T 为多少ms，频率f 为多少Hz？ 叶片振动的幅度A为多少mm？,A,三、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=6012048=720048 =150r/min,1电涡流线圈 2被测物,电动机转速测量,四、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
