自动检测技术及应用第电涡流传感器课件.ppt

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1、自动检测技术及应用课件第电涡流传感器第1页，此课件共24页哦一、基本工作原理一、基本工作原理 1、电涡流效应：、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，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，这种现象称为成为电涡流，这种现象称为“电涡流效应电涡流效应”。特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材特点：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。料损伤等进行非接触式连续测量。第2页，此课件共24页哦2、工作原理、

2、工作原理 根根据据法法拉拉第第定定律律，当当传传感感器器线线圈圈通通以以正正弦弦交交变变电电流流I1时时，线线圈圈周周围围空空间间必必然然产产生生正正弦弦交交变变磁磁场场H1，使使置置于于此此磁磁场场中中的的金金属属导导体体中中感感应应电电涡涡流流I2，I2又又产产生生新新的的交交变变磁磁场场H2。根根据据愣愣次次定定律律，H2的的作作用用将将反反抗抗原原磁磁场场H1，由由于于磁磁场场H2的的作作用用，涡涡流流要要消消耗耗一一部部分分能能量量，导导致致传传感感器器线线圈圈的的等等效效阻阻抗抗发发生生变变化化。由由上上可可知知，线线圈圈阻阻抗抗的的变变化化完完全全取取决决于于被被测测金金属属导导

3、体的电涡流效应。体的电涡流效应。.第3页，此课件共24页哦二、电涡流形成范围二、电涡流形成范围 1.电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围第4页，此课件共24页哦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：电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。电涡流密度在ri=0处为零。电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为的短路环来集中表示

4、分散的电涡流（图中阴影部分）。第5页，此课件共24页哦 2.电涡流强度与距离的关系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。第6页，此课件共24页哦以上分析表明：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。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。第7页，此课件共24页哦 所所

5、谓谓贯贯穿穿深深度度是是指指把把电电涡涡流流强强度度减减小小到到表表面面强强度度的的1/e处处的的表表面面厚厚度度。由由于于电电磁磁场场不不能能穿穿过过导导体体的的无无限限厚厚度度，仅仅作作用用于于表表面面薄薄层层和和一一定定的的径径向向范范围围内内，并并且且导导体体中中产产生生的的电电涡涡流流强强度度是是随随导导体体厚厚度度的的增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：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电涡流的轴向贯穿深度式中：式中：d金属导体中某一点与表面的距离；金属导体中某一点与表面的距离；Jd沿沿H1轴向轴向d处的电涡流密度；

6、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；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）。电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。第8页，此课件共24页哦式中:f线圈激磁电流的频率。第9页，此课件共24页哦三、电涡流传感器等效电路三、电涡流传感器等效电路线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；M互感系数。第10页，此课件共24页哦解得等效阻抗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值为第11页，此课件共24页哦四、电涡流传感器测量电路四、电涡流传感器测量电路1.调频式电路调频

7、式电路第12页，此课件共24页哦传感器线圈接入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1)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。第13页，此课件共24页哦由由传传感感器器线线圈圈L、电电容容器器C和和石石

8、英英晶晶体体组组成成的的石石英英晶晶体体振振荡荡电电路路如如图图所所示示。石石英英晶晶体体振振荡荡器器起起恒恒流流源源的的作作用用，给给谐谐振振回回路路提提供供一一个个频频率率（f0）稳稳定定的的激激励励电电流流io，LC回回路路输输出出电压电压 式中式中,Z为为LC回路的阻抗。回路的阻抗。当当金金属属导导体体远远离离或或去去掉掉时时，LC并并联联谐谐振振回回路路谐谐振振频频率率即即为为石石英英振振荡荡频频率率fo，回回路路呈呈现现的的阻阻抗抗最最大大，谐谐振振回回路路上上的的输输出出电电压压也也最最大大；当当金金属属导导体体靠靠近近传传感感器器线线圈圈时时，线线圈圈的的等等效效电电感感L发发

9、生生变变化化，导导致致回回路路失失谐谐，从从而而使使输输出出电电压压降降低低，L的的数数值值随随距距离离x的的变变化化而而变变化化。因因此此，输输出出电电压压也也随随x而而变变化化。输输出出电电压压经经放放大大、检检波波后后，由由指指示示仪仪表表直直接接显显示出示出x的大小。的大小。2.调幅式电路调幅式电路第14页，此课件共24页哦五、电涡流传感器的应用五、电涡流传感器的应用 1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器第15页，此课件共24页哦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1，若两线圈间

10、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1，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1100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。.第16页，此课件共24页哦2.高频反射式涡流厚度传感器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第17页，此课件共24页哦为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在

11、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，则两传感器与带材之间的距离也改变一个，两传感器输出电压此时为2UoU。U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。第18页，此课件共24页哦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

12、轴相连。3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器第19页，此课件共24页哦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+d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d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。第20页

13、，此课件共24页哦 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）的计算公式为第21页，此课件共24页哦第22页，此课件共24页哦 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。第23页，此课件共24页哦 电涡流式传感器的结构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率小的材料，一般采用高强度漆包铜线。如果要求高一些可用银线或银合金线，在高温条件下使用时可用铼钨合金线。对线圈框架要求用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料。一般可选用聚四氟乙烯、高频陶瓷、环氧玻璃纤维等。在采用线圈与框架端面胶接的形式时，胶水亦要选择适当，一般可以选用粘贴应变片用的胶水。第24页，此课件共24页哦