1、2022-7-231机械工业出版社机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术第四章第四章多媒体课件200951 更新2022-7-232在这一章里，卡卡要给大家介绍电涡流传感器的在这一章里，卡卡要给大家介绍电涡流传感器的基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业技术基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业技术里广泛应用的接近开关。里广泛应用的接近开关。电涡流传感器主要用于金属探测（安全检测等）、电涡流传感器主要用于金属探测（安全检测等）、微小位移和振动测量，以及转速、表面状态等诸多微小位移和振动测量，以及转速、表面状态等诸多与电涡流有
2、关的参数，还可以用于无损探伤及接近与电涡流有关的参数，还可以用于无损探伤及接近开关。开关。电涡流传感器的最大特点是非接触测量。电涡流传感器的最大特点是非接触测量。第四章第四章 电涡流传感器电涡流传感器2022-7-233我们先来看一个实验。取一只直径为我们先来看一个实验。取一只直径为300mm左右左右的空心线圈，接到金属探测器的高频激励电流输出的空心线圈，接到金属探测器的高频激励电流输出端。当线圈接近一块金属，这时我们会发现与检测端。当线圈接近一块金属，这时我们会发现与检测电路相连的耳机里的声音音调变尖电路相连的耳机里的声音音调变尖。小实验小实验第一节第一节 电涡流传感器工作原理电涡流传感器工
3、作原理 2022-7-234第一节第一节 电涡流传感器工作原理电涡流传感器工作原理 电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流当电涡流线圈与金属板线圈与金属板的距离的距离x 减小减小时，电涡流线时，电涡流线圈的圈的等效电感等效电感L 减小减小，等效电等效电阻阻R 增大增大，流，流过电涡流线圈过电涡流线圈的的电流电流 i1 增大增大。电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电高频电流通过励磁流通过励磁线圈，产生线圈，产生交变磁场，交变磁场，在
4、铁质锅底在铁质锅底会产生无数会产生无数的电涡流，的电涡流，使锅底发热，使锅底发热，烧开锅烧开锅 内内 食食 物。物。第二节第二节 电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨
5、力之间探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？有何关系？2022-7-2311大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 第三节第三节 测量转换电路测量转换电路 一、调幅式（一、调幅式（AM）电路）电路 石英振荡器产生石英振荡器产生稳频、稳幅稳频、稳幅高频振荡电压高频振荡电压(100kHz2MHz）用于激励电涡流线圈。金属）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，输出电压圈两端电压的衰减，输出电压Uo反映了金属体反映了金属体对电涡流线圈的距离。对电涡流线圈的距离。部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数部分常用材料对振荡器
6、振幅的衰减系数 人的人的手、泥土或装满水的玻璃杯手、泥土或装满水的玻璃杯能对振能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？二、调频（二、调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，改变时，电涡流线圈的电感量电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化。如果要用模拟仪表进振荡器的输出频率变化。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f转换转换为电压为电压 Uo 。并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 0
7、1 4-32fLC第四节第四节 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 一、位移测量一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为电涡流位移传感器是一种输出为模拟量模拟量的的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属电子器件。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，根据振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的衰减量的变化变化或或振荡频率振荡频率的变化，可地计算出与被检物的变化，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体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量非接触测量，工作时不受
8、灰尘等因素的影响，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。可在各种恶劣条件下使用。位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、位偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、击、偏心率、冲程、宽度等。宽度等。来自不同应用领来自不同应用领域的许多量都可归结域的许多量都可归结为位移或间隙变化。为位移或间隙变化。数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头2022-7-2318420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外
9、形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）齐平式传感器安装时可以不高出安装齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。面，不易被损害。2022-7-2320V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器外形传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式齐平式2022-7-2321V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器性能一览表传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关厂资料）四线制电涡流位移传感器的接线说明四线制电涡流位移传感器的接线说明 有的位移传感器同时具备两种动作输出状有的位移传感器同时具备两种动作输出状态，可选择态，可选择从高电压向
10、低电压转变从高电压向低电压转变、和、和从低电从低电压向高电压转变压向高电压转变两种方式，分别称为两种方式，分别称为NPNNPN和和PNPPNP输出模式，俗称为输出模式，俗称为常开输出常开输出或或常闭输出常闭输出模式。模式。电涡流位移传感器的应用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，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、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
11、因素的微小变化就足以确定因素，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影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性定性测量测量。在用作在用作 定定 量量 测量时，必须采用测量时，必须采用逐点标逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。等措施。2022-7-2324介绍几种常见位移传感器介绍几种常见位移传感器2022-7-2325利用电涡流测振仪测量叶片振动如图利用电涡流测振仪测量叶片振动如图4-6c所示，输出所示，输出的振动波形如图的振动波形如图4-7所示，请分析与被测振动有关的所示，请分析与被测振动有关的结果。结果。振动的基波周期振动的基
12、波周期T约为约为2.5格格10ms/格格25ms；振动的基波频率振动的基波频率f约为约为1/T1/0.025s40Hz；振动的输出电压峰峰值振动的输出电压峰峰值UPP约为约为(2格格40mV/格格)80mV，输出电压幅值输出电压幅值UP约为约为40mV。若测振仪的灵敏度为若测振仪的灵敏度为0.5mm/mV，则振动的振幅，则振动的振幅x约为约为20mm。2022-7-2326 偏心和偏心和振动检测振动检测2022-7-2327通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动2022-7-2328测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动对桥梁、丝杆等机械结构的振动
13、测量，须使用多个传感器。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金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度导向辊的材料可以用导向辊的材料可以用金属制作吗？金属制作吗？2022-7-2330测量尺寸、公差测量尺寸、公差及零件识别及零件识别 通过测量间隙来通过测量间隙来测定测定 热膨胀引起的上下平移热膨胀引起的上下平移2022-7-2331测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，电涡流越小电涡流越小2022-7-2332测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙间距间距位移的标定方法位移的标定方法 使用千分尺，逐一对照测量电路的输使用千分尺
14、，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。计算机，从而达到线性化的目的。电涡流位移传感器的距离电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线与输出电压特性曲线位移传感器位移传感器1 1、2 2、3 3 的量程和线性范围各为多少的量程和线性范围各为多少mmmm？2022-7-2335二、转速测量二、转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数，频率计的读数为为f（单位为（单位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算公式为）的计算公式为 60r fnz（/min
15、）2022-7-2336齿轮转速测量齿轮转速测量 例：例：下图中，设齿数下图中，设齿数z z=48，测得频率，测得频率 f=120Hz，请按上述公式该齿轮的转速，请按上述公式该齿轮的转速n。2022-7-2337电动机电动机转速测量转速测量三、电涡流式通道安全检查门三、电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设安检门的内部设置有置有发射线圈和接收发射线圈和接收线圈线圈。当有金属物体。当有金属物体通过时，交变磁场就通过时，交变磁场就会在该金属导体表面会在该金属导体表面产生电涡流，会在接产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，收线圈中感应出电压，计算机根据计算机根据感应电压感应电压的大小、相位的大小、相
16、位来判定来判定金属物体的大小。金属物体的大小。2022-7-2339安检门安检门演示演示当有金属物体穿越当有金属物体穿越安检门时报警安检门时报警在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈，在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈，有金属穿过时，对应位置报警。还在一侧安有金属穿过时，对应位置报警。还在一侧安装一台装一台“软软x光光”扫描仪扫描仪，它能显示衣服里头，它能显示衣服里头的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。2022-7-2340四、电涡流表面探伤四、电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机滚
17、子涡流探伤机是由计算机控制的轴是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探伤的专用设备，可探出深出深 30m的表面微小的表面微小裂纹。裂纹。（参考参考无锡市通达滚子无锡市通达滚子有限公司有限公司资料资料）2022-7-2342手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）2022-7-2343掌上型掌上型电涡流电涡流探伤仪探伤仪2022-7-2344用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹2022-7-2345台式电涡流探伤仪台式电涡流探伤仪2022-7-2346花瓣阻抗图花瓣阻抗图第
18、五节第五节 接近开关简介接近开关简介 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距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。当离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体进入其设定距离范围内时，就发出物体进入其设定距离范围内时，就发出“动作动作”信信号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。接近开关能直接驱动中间继电器。多数接近开关接近开关能直接驱动中间继电器。多数接近开关已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内，壳体已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内，壳体上多带有螺纹或安装孔，以便于安装和调整。上多带有螺
19、纹或安装孔，以便于安装和调整。接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制和接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制和限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定金属物体的存在和位置，测量物位等。金属物体的存在和位置，测量物位等。2022-7-2348 接近开关的核心部分是接近开关的核心部分是“感辨头感辨头”，它对正，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。在生物界，在接近的物体有很高的感辨能力。在生物界，眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线；而眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线；而电涡流探头能感辨金属导体的靠近。应变片、电涡流探头能感辨金属导体的靠近。应
20、变片、电位器之类的传感器无法用于接近开关，因为电位器之类的传感器无法用于接近开关，因为它们属于接触式测量。它们属于接触式测量。知知 识识 沙沙 龙龙2022-7-2349接近开关外形接近开关外形 2022-7-2350接近开关外形接近开关外形 2022-7-2351接近开关外形（续）接近开关外形（续）一、常用的接近开关分类一、常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式（以常用的接近开关有电涡流式（以下简称下简称电感接近开关电感接近开关）、电容式、磁）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式式 、超声波式等。、超声波式等。二、接近开关的特点二、接近开关的特
21、点 接近开关与被测物接近开关与被测物不接触不接触、不会产不会产生机械磨损和疲劳损伤生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长工作寿命长、响应快、无触点、响应快、无触点、无火花无火花、无噪声无噪声、防、防潮、防尘、潮、防尘、防爆性能较好防爆性能较好、体积小体积小、安、安装、装、调整方便调整方便；缺点是缺点是 触点容量较小触点容量较小、输出短路时易烧毁输出短路时易烧毁。2022-7-2354三三.接近开关的主要性能指标：接近开关的主要性能指标：额定动作距离额定动作距离、工作距离、工作距离、动作滞差动作滞差、重复定位精度（重复、重复定位精度（重复性）、性）、动作频率动作频率等。等。四、电涡流接近开关四、电涡流
22、接近开关（即：电感接近开关）的（即：电感接近开关）的工作原理工作原理 电感接近开关由电感接近开关由LCLC高频振荡器和放大处理高频振荡器和放大处理电路组成电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生，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，使接近开涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关关振荡能力衰减振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关控制开关的通或断的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须。这种接近开关所能检测的物体必须是是导电性能良好的金属物体导电性能良好的金属物体。2022
23、-7-2356五、电涡流接近开关原理框图五、电涡流接近开关原理框图2022-7-2357六、常见接近开关的型号说明六、常见接近开关的型号说明（摘自浙江洞头开关厂资料）七、接近开关的术语解释（七、接近开关的术语解释（1 1）1.1.动作（检测）距离动作（检测）距离:被测体按一定方式移被测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称值。值。2.2.设定距离设定距离：指整定距离，一般为额定动作距：指整定距离，一般为额定动作距离的离的0.80.8倍，以保证工
24、作可靠。倍，以保证工作可靠。3.3.复位距离复位距离：接近开关动作后，又再次复位时：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。的与被测物的距离，它略大于动作距离。4.4.回差值回差值:动作距离与复位距离之间的绝对值。动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强抗干扰能力就越强。2022-7-2359接近开关的检接近开关的检测距离与回差测距离与回差接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（2 2）标准检测体：可与现场被检金属作比标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检
25、测体通常为较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的正方形的A3钢，厚度为钢，厚度为1mm，所采用的边，所采用的边长是接近开关检测面直径的长是接近开关检测面直径的2.5倍。倍。不同材料的金属检测物对电涡流接近开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关动作距离的影响（以（以FeFe为参考金属）为参考金属）对于非磁性材料，被测体的对于非磁性材料，被测体的电导率越高电导率越高，则则灵敏度越高灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗磁滞损耗还将还将影响电涡流影响电涡流线圈的线圈的Q值值。磁滞损耗大磁
26、滞损耗大时，其时，其灵敏灵敏度通常较高度通常较高。接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（3 3）接近开关的安装方式：分接近开关的安装方式：分齐平式齐平式和和非齐非齐平式平式。齐平式（。齐平式（又称埋入型又称埋入型）的接近开关表）的接近开关表面可面可与被安装的金属物件形成同一表面与被安装的金属物件形成同一表面，不，不易被碰坏，但易被碰坏，但灵敏度较低灵敏度较低；非齐平式（非埋；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把入安装型）的接近开关则需要把感应头露出感应头露出一定高度一定高度，否则将降低灵敏度。，否则将降低灵敏度。2022-7-2363接近开关的安装方式接近开关的安装方式齐平式安装齐平式
27、安装非齐平式安装非齐平式安装接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（4 4）响应频率响应频率f：按规定，在：按规定，在1秒的时间间隔秒的时间间隔内，内，接近开关动作循环的最大次数，重复接近开关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。频率大于该值时，接近开关无反应。响应时间响应时间t：接近开关检测到物体时刻：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算：可用公式换算：t=1/f2022-7-2365响应频率及响应时间示意图响应频率及响应时间示意图接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（5 5）输出状态：输出状态：常
28、开常开/常闭常闭型接近开关型接近开关 当无检测物体时，对常开型接近开关而言，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三极管截止，所接的负由于接近开关内部的输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作出级三极管导通，负载得电工作。对常闭型接近开关而言，当对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之；反之则负载失电。则负载失电。接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（6 6）常用的输出形式有：常用的
29、输出形式有：NPN二线，二线，NPN三线三线，NPN四线，四线，PNP二线，二线，PNP三线，三线，PNP四线，四线，DC二线，二线，AC二线，二线，AC五线（带继电器）五线（带继电器）等几种，读者可查阅以下有关资料。等几种，读者可查阅以下有关资料。2022-7-2368输出形式输出形式（14）负载负载负载负载蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝2022-7-2369输出形式输出形式（58）负载负载负载负载负载负载 接近开关的术语解释接近开关的术语解释（7）导通压降：接近开关在导通状态导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。一般情况下，发射极
30、之间的电压降。一般情况下，导通压降约为导通压降约为0.3V0.3V。2022-7-2371导通压降导通压降0.3V接近开关的接线方法举例接近开关的接线方法举例以以NPN、常开型为例来说明、常开型为例来说明 接线方法接线方法 OUT端与端与GND端的压降端的压降Uces约为约为0.3V，流，流过过KA的电流的电流IKA=（VCC-0.3）/RKA。若。若IKA大于大于KA的额定吸合电流，则的额定吸合电流，则KA能够可靠吸合。能够可靠吸合。请按请按接接线图将各元线图将各元件正确地连件正确地连接起来。接起来。接近开关使用注意事项接近开关使用注意事项 1.1.请勿将电感接近开关置于请勿将电感接近开关置
31、于0.02T0.02T以上的磁场环以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。境下使用，以免造成误动作。2.2.为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。3.3.为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括被检测物体和接近开关的安装位置定期的维护，包括被检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附等。是否有金属粉尘粘附等。4.DC4.DC二线制接近开关具有二线制接近开关具有0.50.51mA1mA的静态泄漏电的静态泄漏电流，在一些对泄漏电流要求较高的场合下，可改用流，在一些对泄漏电流要求较高的场合下，可改用DCDC三线制接近开关。三线制接近开关。5.5.接近开关接近开关使用电感性负载时，务必在负载两使用电感性负载时，务必在负载两端并接续流二极管，以免损坏接近开关输出级。端并接续流二极管，以免损坏接近开关输出级。2022-7-2375休息一下休息一下
