1、第四章第四章 电涡流式传感器电涡流式传感器主要教学内容：主要教学内容：v电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理v电涡流式传感器的结构及特性电涡流式传感器的结构及特性v电涡流式传感器的测量转换电路电涡流式传感器的测量转换电路v电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用v接近开关简介接近开关简介v电涡流传感器是建立在电涡流传感器是建立在电涡流效应电涡流效应上的一种传上的一种传感器感器v电涡流效应：电涡流效应：根据法拉第电磁感应定律，块状根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割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，导体内将产生呈漩涡状流动的磁力线运
2、动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象感应电流，称之为电涡流，这种现象 称为电涡流效应。称为电涡流效应。4.1 4.1 电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理高高频频 反反 射射 式式低低频频 透透 射射 式式电电涡涡 流流 式式 传传 感感 器器v涡流的大小与涡流的大小与金属体的电阻率金属体的电阻率、磁导率、磁导率、金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈、金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离与金属导体的距离x x、线圈的励磁电流频率、线圈的励磁电流频率f f等参数有关等参数有关高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器电涡流电涡流H1H2由于由
3、于H H2 2的反作用，使通电线圈中的有效阻抗的反作用，使通电线圈中的有效阻抗发生变化，该线圈的阻抗的变化反映了被测发生变化，该线圈的阻抗的变化反映了被测体的涡流效应。体的涡流效应。i1100kHz1MHz2(,)ifx d i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，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，这称为集肤效应而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。（也称趋肤效应）。v集肤效应与激励源频率集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、工件的电导率、磁导率磁导率 等有关。频率等有关。频率f越高，电涡流的渗透越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重
4、。的深度就越浅，集肤效应越严重。1 11 121R Ij L Ij MIU222210R Ij L Ij MI22222222112122212222UMMZRRjLLIRLRL电涡流传感器的等效阻抗为：电涡流传感器的等效阻抗为：22221121222222212222j UMMZRRLLIRLRL221222222MRRRRL221222222MLLLRL等效电阻：等效电阻：等效电感：等效电感：Z=R+jL=f（i1、f、r、x）v检测深度的控制：检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f f，可
5、控制检测深度。激励源频率一般设定在可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz100kHz1MHz1MHz。频率越低，检测深度越深频率越低，检测深度越深。v间距间距x的测量：的测量：如果控制上式中的如果控制上式中的i1、f、r不变，电涡流线圈的阻抗不变，电涡流线圈的阻抗Z Z就成为间距就成为间距x的单的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。感器。v多种用途：多种用途：如果控制如果控制x、i1、f不变，就可以用不变，就可以用来检测与表面电导率来检测与表面电导率 有关的有关的表面温度、表面表面温度、表面裂纹等参数裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率
6、，或者用来检测与材料磁导率 有有关的关的材料型号、表面硬度材料型号、表面硬度等参数。等参数。Z=R+jL=f（i1、f、r、x）干净、高效的电磁炉干净、高效的电磁炉电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过励磁通过励磁线圈，产线圈，产生交变磁生交变磁场，在铁场，在铁质锅底会质锅底会产生无数产生无数的电涡流，的电涡流，使锅底自使锅底自行发热，行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。物。电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈1L1UM2L2U发射线圈接收线圈M低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 下降下降越小越小M M越厚，越厚，无无M M：最大最大1L1UM2L2U发射
7、线圈接收线圈H1L1UM2L2U发射线圈HM2U2U2U发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈1kHz1kHz左右左右低频透射电涡流式通道安全检查门低频透射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，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大小。在安检门的侧面还安装一台台“软软x x光光”扫描仪，
8、它对人体、扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。可合成完整的光学图像。安检门演示安检门演示当有金属物体穿越安检当有金属物体穿越安检门时报警门时报警4.2 4.2 电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流传感器的传感元件是一只线圈，电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头俗称为电涡流探头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 11电涡流线圈电涡流线圈 2 2探头壳体探头壳体 3 3壳体上的位置调节螺壳体上的位置调节螺纹纹 4 4印制线路板印制线路板 5 5夹持螺母夹持螺母 6 6电源指示灯电源指示灯 7
9、 7阈值指示灯阈值指示灯 8 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9 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：探头的直径与测量范分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？围及分辨力之间有何关系？探头的直径越大，测量范围越大，但分探头的直径越大，测量范围越大，但分辨力越差，灵敏度降低。辨力越差，灵敏度降低。v为了充分利用电涡流效应，被测体为圆盘状为了充分利用电涡流效应，被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径应大于线圈直径物体的平面时，物体的直径应大于线圈直径的的2 2倍之上，否则将使灵敏度降低倍之上，否则将使灵敏度降低v被测体为轴状圆柱
10、体的圆弧表面时，它的直被测体为轴状圆柱体的圆弧表面时，它的直径必须为线圈直径的径必须为线圈直径的4 4倍以上，才不影响测量倍以上，才不影响测量结果。结果。v而且被测体的厚度必须在而且被测体的厚度必须在0.2mm0.2mm以上，才不会以上，才不会影响测量。影响测量。大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 4.3 4.3 电涡流式传感器的测量转换电路电涡流式传感器的测量转换电路v一、调幅式（一、调幅式（AMAM）电路）电路v二、调频式（二、调频式（FMFM）电路）电路 一、调幅式（一、调幅式（AMAM）电路）电路（以输出信号的幅度来（以输出信号的幅度来反映电涡流探头和被测金属导体之间的关系）反映电涡
11、流探头和被测金属导体之间的关系）石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压用于激励电涡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。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终输出的直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响。反映了金属体对电涡流线圈的影响。二、调频式（二、调频式（FMFM）电路）电路 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，电涡流线圈改变时，电涡流线圈的电感量的电感量L L 也随之改变
12、，引起也随之改变，引起LC LC 振荡器的输出频率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，将表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f转换为转换为电压电压 Uo 。鉴频器特性鉴频器特性 使用鉴使用鉴频器可以频器可以将将 f f 转转换为电压换为电压 U Uo o鉴频器的输出电压与输入频率成正比鉴频器的输出电压与输入频率成正比4.4 4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用v接近开关接近开关又称又称无触点行程开关无触点行程开关。它能在。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有一定的距离
13、（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，无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出就可以发出“动作动作”信号。信号。接近开关的核心部分接近开关的核心部分是是“感辨头感辨头”，它对，它对正在接近的物体有很正在接近的物体有很高的感辨能力高的感辨能力接近开关外形接近开关外形 接近开关外形接近开关外形 接近开关外形（续）接近开关外形（续）分类：分类：常用的接近开关有常用的接近开关有电涡流式电涡流式、电容式电容式、磁性干簧开关磁性干簧开关、霍尔式霍尔式、光电式光电式、微波式微波式 、超声波式超声波式等。等。接近开关优点接近开关优点：与被测物不接触、不会产生：与被测物不
14、接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；安装、调整方便；接近开关缺点：接近开关缺点：触点容量较小、输出短路时触点容量较小、输出短路时易烧毁。易烧毁。电涡流接近开关电涡流接近开关电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一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，所能检测的物体种开关量输出的位置传感器，所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体必须是导电
15、性能良好的金属物体v工作原理：它由工作原理：它由LCLC高频振荡器和放大处理电路组成，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，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。进而控制开关的通或断。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安装非齐平式安装非齐平式安装接近开关
16、表接近开关表面与被安装面与被安装的金属物件的金属物件形成同一表形成同一表面，不易被面，不易被碰坏，但灵碰坏，但灵敏度较低敏度较低感应头露出感应头露出一定高度，一定高度，否则将降低否则将降低灵敏度灵敏度接近开关的接线方法接近开关的接线方法OUTOUT端与端与GNDGND端的压降端的压降U Ucesces约为约为0.3V0.3V，流过，流过KAKA的的电流电流I IKAKA=（V VCCCC-0.3-0.3）/R/RKAKA。若。若I IKAKA大于大于KAKA的额定的额定吸合电流，则吸合电流，则KAKA能够可靠吸合。能够可靠吸合。三线制接近开关三线制接近开关NPNNPN、OCOC门常开输出电路门
17、常开输出电路 一、位移测量一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面接通电源后，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（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。与被检物体的距离、振动等参数。交变磁场交变磁场位移
18、测量仪位移测量仪数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外形传感器外形齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。损害。V 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齐平式齐平式偏心和振动检测偏心和振动检测通过测量间隙来通过测量间隙来测量径向跳动测量径向跳动测量弯曲、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测量，须使对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。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
19、电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度由于存在集肤效应，镀由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流层或箔层越薄，电涡流越小越小测量尺寸、公差及测量尺寸、公差及零件识别零件识别 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，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
20、距离与输出电压特性曲线与输出电压特性曲线11量程为量程为10mm 210mm 2量程为量程为16mm 316mm 3量程为量程为20mm20mm二、振动测量二、振动测量 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率 用电涡用电涡流探头、流探头、调幅法调幅法测量简测量简谐振动谐振动时，探时，探头的输头的输出波形。出波形。调频法测量振动的波形调频法测量振动的波形三、转速测量三、转速测量 若转轴上开若转轴上开z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f（单位为（单位为HzHz），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
21、式为 60 fnz各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置 例例:下图中，设齿数下图中，设齿数z z=48=48，测得频率，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n。电动机电动机转速测量转速测量四、镀层厚度测量四、镀层厚度测量由于存在由于存在集肤效应，集肤效应，镀层或箔镀层或箔层越薄，层越薄，电涡流越电涡流越小。小。电涡流镀层厚度仪电涡流镀层厚度仪 金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sHpHsH五、电涡流表面探伤五、电涡流表面探伤金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sH裂纹电涡流表面探伤电涡流表面探伤 检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤油管探伤油管探伤传感器与被测体距离不传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变综合引起传感器参数变化。化。手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪手提式探伤仪手提式探伤仪掌上型电涡流掌上型电涡流探伤仪探伤仪台式电涡流探伤仪台式电涡流探伤仪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
