电涡流传感器--南开.ppt

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1、电涡流传感器电涡流传感器电涡流传感器电涡流传感器电涡流传感器的电涡流传感器的工作原理工作原理1电涡流传感器的电涡流传感器的转换电路转换电路3电涡流传感器的电涡流传感器的应用应用电涡流传感器的电涡流传感器的类型类型42电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图线线圈圈通通入入正正弦弦交交变变电电流流I1，则则线线圈圈周周围围空空间间将将产产生生一一个个正正弦弦交交变变磁磁场场H1，使使金金属属导导体体中中感感应应电电涡涡流流I2，I2又又产产生生一一个个与与H1方方向向相相反反的的交交变变磁磁场场H2，如如图图。根根据据楞楞次次定定律律，H2的的反反作作用用必必然然削削弱弱线线圈圈的的磁磁场场H1。由

2、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。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体的体的电涡流效应电涡流效应。电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理线圈置于金属导体附近：线圈置于金属导体附近：原理的直观表示原理的直观表示线圈中通以高频信号线圈中通以高频信号I1正弦交变磁场正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流金属导体内就会产生涡流I2涡流产生交变磁场涡流产生交变磁场H2反作用于线圈，改变了阻抗、电感反作用于线圈，改变了阻抗、电感电涡流传感器的等效电路电涡流传感器

3、的等效电路把被测导体上形成的电涡流把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为其电阻为R R1 1、电感为、电感为L L1 1。这样线圈。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感一个互感M M，它随线圈与导体间距，它随线圈与导体间距x x的减小而增大。的减小而增大。电涡流传感器等效电路电涡流传感器等效电路MRL1LR1I II I1U U1线圈的等效电阻和电感为：线圈的等效电阻和电感为：结论：结论：凡凡是是能

4、能引引起起 R R1 1、L L1 1、M M变变化化的的物物理理量量均均可可以以引引起起传传感感器器线线圈圈R R、L L的的变化。变化。被被测测体体（金金属属）的的电电阻阻率率、磁磁导导率率、厚厚度度d d、线线圈圈与与被被测测体体间间的的距距离离X X，激激励励线线圈圈的的角角频频率率等等都都通通过过涡涡流流效效应应和和磁磁效效应应与与线线圈圈阻阻抗抗Z Z发生关系，即发生关系，即Z Z=f(,X X,d d，）。）。、d d、X X、的变化使的变化使R R、L L发生变化，若控制某些参数不变，发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗只改变其中一个参数，可使阻抗 Z Z

5、 成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。传传感感器器线线圈圈接接入入LC振振荡荡回回路路，作作为为组组成成LC振振荡荡器器的的电电感感元元件件。当当传传感感器器与与被被测测导导体体距距离离x改改变变时时，在在涡涡流流影影响响下下，传传感感器器的的电电感感变变化化，将将导导致致振振荡荡频频率率的的变变化化，该该变变化化的的频频率率是是距距离离x的的函函数数，该该频频率率可可由由数数字字频频率率计计直直接接测测量量，或或者者通通过过f U 变变换换，用用数数字字电电压压表表测量对应的电压。测量对应的电压。1.调频式测量电路调频式测量电路调频式测量电路框图调频式测量电路框图电涡流传感器的转

6、换电路电涡流传感器的转换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流电压U0反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。的距离等参数）。2.2.调幅式测量电路调幅式测量电路10距离金属表面距离金属表面Z Z处涡流按指数规律衰减处涡流按指数规律衰减 -金属表面涡流密

7、度金属表面涡流密度(最大）最大）-金属表面距离金属表面距离Z Z处的涡流处的涡流 h-h-集肤深度集肤深度 ；-电阻率；电阻率；-磁导率；磁导率；f-激励信号频率激励信号频率 /ehz电涡流传感器的类型电涡流传感器的类型集肤效应集肤效应故电涡流式传感器可故电涡流式传感器可分为分为高频反射式高频反射式和和低低频透射式频透射式两类。两类。1.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传感器的类型电涡流传感器的类型 高频高频(lMHz)(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于于集肤效应集肤效应，在金属板，在金属板表面表面将形成涡电

8、流。与此同时，该涡流产生将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化。的变化。发射线圈发射线圈1和接收线圈和接收线圈2分别放在被测材料分别放在被测材料G G的上下的上下低频电压低频电压e e1加到线圈加到线圈1的两的两端后端后,在周围空间产生一交变在周围空间产生一交变磁场磁场,并在被测材料并在被测材料G G中产生涡中产生涡流流,此涡流损耗了部分能量此涡流损耗了部分能量,使使贯穿贯穿2的磁力线减少的磁力线减少,从而使从而使2产生的感应电势产生的感应电势e e2减小。减小。e e2的大小与的大小与

9、G G的厚度及材料性的厚度及材料性质有关质有关,实验与理论证明实验与理论证明,e,e2随随材料厚度材料厚度h h增加按负指数规律增加按负指数规律减小。减小。2.低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用被被测测参参数数变变换换量量特特征征位移、厚度、振动位移、厚度、振动（1）非接触测量，连续测量非接触测量，连续测量（2）受剩磁的影响。受剩磁的影响。表面温度表面温度材质判别材质判别（1）非接触测量，连续测量；）非接触测量，连续测量；（2）对温度变化进行补偿）对温度变化进行补偿应力、硬度应力、硬度（1）非接触测量，连续测量；）非接触测量，连续测量；（2）受剩磁

10、和材质影响）受剩磁和材质影响探伤探伤可以定量测量可以定量测量优点：优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强和可测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强和可非接触测量非接触测量1.位移测量位移测量1被测件被测件2传感器探头传感器探头(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图金属试件的热膨胀系数测量示意图2.振幅测量振幅测量汽轮机和空气压缩机常用汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的的监控主轴的径向振动的示意图示意图通常使用数个传感器探头并排通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近，便于了解振地安置在轴附近，便于了解振动形状，画出轴振形图动形状，画出轴振形图厚度：厚度：t=D-(x1+x2)3.厚度测量厚度测量可减小因为振动引起的干扰，厚度不变时可减小因为振动引起的干扰，厚度不变时 x1+x2=常数常数3.其他应用其他应用谢谢！谢谢！