电涡流传感器.pptx
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1、2023/3/191第1页/共50页 当电涡流线圈与当电涡流线圈与金属板的距离金属板的距离x 减小减小时,电涡流线圈的等时,电涡流线圈的等效电感效电感L 减小减小,等效,等效电阻电阻R 增大增大。感抗。感抗XL 的变化比的变化比R 的变化大的变化大得多,流过电涡流线得多,流过电涡流线圈的圈的电流电流i1增大增大。第一节 电涡流传感器工作原理 电涡流效应:根据法拉第电磁感应原理,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,导体内将产生呈涡旋状的感应电流(电涡流)的现象。第2页/共50页电涡流式传感器原理图电涡流式传感器原理图第3页/共50页 式中:式中:r-线圈与被测导体的尺寸因子
2、。线圈与被测导体的尺寸因子。上图为电涡流式传感器的原理图,该图由传感器线上图为电涡流式传感器的原理图,该图由传感器线圈和被测导体组成线圈圈和被测导体组成线圈导体系统。当传感器线圈通以导体系统。当传感器线圈通以交变电流交变电流 时,由于电流的变化,在线圈周围产生交变时,由于电流的变化,在线圈周围产生交变磁场磁场 ,使置于此磁场中的被测导体内产生感应电涡流,使置于此磁场中的被测导体内产生感应电涡流 ,电涡流,电涡流 又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场 。与与 方向相反,方向相反,因而抵消部分原磁场,从而导致传感器线圈的因而抵消部分原磁场,从而导致传感器线圈的电感量、电感量、阻抗和品质因数阻抗和品
3、质因数发生变化,即线圈的等效阻抗发生变化。发生变化,即线圈的等效阻抗发生变化。这些变化与被测导体的电阻率这些变化与被测导体的电阻率 、磁导率、磁导率 以及几何形以及几何形状有关,也与线圈几何参数、激磁电流频率状有关,也与线圈几何参数、激磁电流频率 有关,还与线圈与被测导体间的距离有关,还与线圈与被测导体间的距离 有关。因此可有关。因此可写为:写为:第4页/共50页电涡流式传感器简化模型电涡流式传感器简化模型 电涡流式传感器等效电路图第5页/共50页 f-为线圈激磁电流的频率;为线圈激磁电流的频率;-为金属导体的电阻率;为金属导体的电阻率;r-为金属导体的磁导率。为金属导体的磁导率。模型中,把在
4、被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环,即假设电涡流仅分布在环体之内,模型中h(电涡流的贯穿深度)可由下式求得:集肤效应:集肤效应:当高频(当高频(100kHz左右)信号源产生的高左右)信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时,时,将产生高频磁场将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围。如被测导体置于该交变磁场范围之内时,被测导体就产生电涡流之内时,被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵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(也
5、称趋肤效应)。面,这称为集肤效应(也称趋肤效应)。集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率 等有关。频率f 越高,电涡流的渗透的深度就越浅,集肤效应越严重。第6页/共50页 根根据据简简化化模模型型,可可将将金金属属导导体体形形象象地地看看做做一一个个短短路路线线圈圈,它它与与传传感感器器线线圈圈之之间间存存在在耦耦合合关关系系,它它们们之之间间的的等等效效电电路路图图如如上上。图图中中R2为为电电涡涡流流短短路路环环等等效效电电阻阻,其其表达式为:表达式为:根据基尔霍夫第二定根据基尔霍夫第二定律,可列出如下方程:律,可列出如下方程:-线圈激磁电流角频率R1-线圈电阻L1-线圈电感L2-短
6、路环等效电感R2-短路环等效电阻M-互感系数第7页/共50页 等效阻抗等效阻抗Z的表达式为:的表达式为:式中:式中:Req线圈受电涡流影响后的线圈受电涡流影响后的等效电阻等效电阻 Leq线圈受电涡流影响后的等效电感第8页/共50页 电电涡涡流流线线圈圈受受电电涡涡流流影影响响时时的的等等效效阻阻抗抗Z Z 的的函函数数表达式为:表达式为:Z=R+jL=f(i1,f,r,x,)等效阻抗分析等效阻抗与非电量测量的应用 检测深度的控制: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f f,可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz-1MHz100kHz-1MHz。频率越低,检测深
7、度越深。间距x x的测量:如果控制上式中的i i1 1、f f、r r 不变,电涡流线圈的阻抗Z Z 就成为间距x x的单值函数,这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途:如果控制x x、i i1 1、f f 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 有关的材料型号、表面硬度等参数。第9页/共50页1、电涡流形成范围、电涡流形成范围径向形成范围径向形成范围 线线圈圈导导体体系系统统产产生生的的电电涡涡流流密密度度既既是是线线圈圈与与导导体体间间距距离离x的的函函数数,又又是是沿沿线线圈圈半半径径方方向向r的的函函数数。当当x一一定定时时,电
8、电涡涡流流密密度度J与与半半径径r的的关关系系曲曲线线下下图图所所示示(图图中中J0为为金金属属导导体体表表面面电电涡涡流流密密度度,即即电电涡涡流流密密度度最最大大值值。Jr为半径为半径r处的金属导体表面电涡流密度)。由图可知:处的金属导体表面电涡流密度)。由图可知:电电涡涡流流径径向向形形成成范范围围大大约约在在传传感感器器线线圈圈外外径径ras的的1.82.5倍范围内,且分布不均匀。倍范围内,且分布不均匀。电涡流密度在电涡流密度在ri=0处为零。处为零。电涡流的最大值在电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为可以用一个平均半径为 的短路环
9、的短路环 来集中表示分散的电涡流(图中阴影部分)。来集中表示分散的电涡流(图中阴影部分)。电涡流效应的基本特性电涡流效应的基本特性 第10页/共50页电涡流密度电涡流密度J与半径与半径r的关系曲线的关系曲线 第11页/共50页2 2、电涡流强度与距离的关系、电涡流强度与距离的关系 理理论论分分析析和和实实验验都都已已证证明明,当当x x改改变变时时,电电涡涡流流密密度度也也发发生生变变化化,即即电电涡涡流流强强度度随随距距离离x x的的变变化化而而变变化化。根根据据线线圈圈导导体体系系统统的的电电磁磁作作用用,可可以以得得到到金金属属导导体体表面的电涡流强度为:表面的电涡流强度为:式中:式中:
10、I1线圈激励电流;线圈激励电流;I2金属导体中等效电流;金属导体中等效电流;x 线圈到金属导体表面距离;线圈到金属导体表面距离;ras线圈外径。线圈外径。第12页/共50页电涡流强度与距离归一化曲线电涡流强度与距离归一化曲线 根据上式作出的归一化曲线如图所示。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13页/共50页3 3、电涡流的轴向贯穿深度、电涡流的轴向贯穿深度 所所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
11、面面强强度度的的1/e1/e处的表面厚度。处的表面厚度。由由于于金金属属导导体体的的趋趋肤肤效效应应,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加按按指指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示:数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示:式中:d金属导体中某一点与表面的距离;Jd沿H1 轴向d处的电涡流密度;J0金属导体表面电涡流密度,(电涡流密度最大值)h电涡流轴向贯穿的深度,(趋肤深度)。第14页/共50页电
12、涡流密度轴向分布曲线电涡流密度轴向分布曲线 如图所示为电涡流密如图所示为电涡流密度轴向分布曲线,可知,度轴向分布曲线,可知,电涡流密度主要分布在电涡流密度主要分布在表面附近。表面附近。由前面分析可知,被由前面分析可知,被测体电阻率愈大,相对测体电阻率愈大,相对导磁率愈小,以及传感导磁率愈小,以及传感器线圈的激磁电流频率器线圈的激磁电流频率愈低,则电涡流贯穿深愈低,则电涡流贯穿深度度h 愈大。故透射式电愈大。故透射式电涡流传感器一般都采用涡流传感器一般都采用低频激励。低频激励。第15页/共50页交变磁场交变磁场第二节 电涡流传感器结构及特性1 1、电涡流探头结构电涡流探头外形11电涡流线圈 22
13、探头壳体 33壳体上的位置调节螺纹 44印制线路板 55夹持螺母 66电源指示灯77阈值指示灯 88输出屏蔽电缆线 99电缆插头第16页/共50页CZF-1CZF-1系列传感器的性能分析上表可得出结论:探头直径越大,测量范围越大、分辨力越差、灵敏度越低。2 2、被测材料、形状和体积对灵敏度的影响电阻率、磁导率:非磁性材料,电阻率低,灵敏度高;磁性材料,除电阻率外,还受磁导率的影响。形状、体积大小:盘状,要求被测对象直径2倍探头线圈直径;柱状,要求被测圆柱直径4倍探头线圈直径。第17页/共50页大直径电涡流探雷器第18页/共50页2023/3/1919电涡流的应用干净、高效的电磁炉 高频电流通过
14、励磁线圈,产生交变磁场,在铁质锅底会产生无数的电涡流,使锅底自行发热,烧开锅内的食物。线圈电磁炉的工作原理第19页/共50页一、调幅(一、调幅(AMAM)式电路)式电路 石英振荡器石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz-1MHz)用于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,引起电涡流线圈端电压的衰减,再经高放、检波、低放电路,最终输出的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直流电压Uo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(例如两者之间的例如
15、两者之间的距离等参数距离等参数)。第三节 测量转换电路第20页/共50页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?为什么?二、调频(FMFM)式电路第21页/共50页 当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时,电涡流线圈的电感量L也随之改变,引起LC 振荡器的输出频率变化,此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时,必须使用鉴频器,将 f转换为电压 Uo。并联谐振回路的谐振频率:设电涡流线圈的电感量L=0.8mH,微调电容C0=200pF,求振荡器的频率f。第22页/共50页鉴输出电压与输入频率成正比鉴输出电压与输入频率成正比
16、鉴频器特性使用鉴频器可以将 f 转换为电压 Uo 设电路参数如上图,计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电压Uo;若电涡流线圈靠近金属后,电涡流探头的输出频率f上升为500kHz,f为多少?输出电压Uo又为多少?第23页/共50页 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电压模拟电压的电子器的电子器件。接通电源后,在电涡流探头的有效面(感应工作面)件。接通电源后,在电涡流探头的有效面(感应工作面)将产生一个将产生一个交变磁场交变磁场。当。当金属物体金属物体接近此感应面时,金接近此感应面时,金属表面将属表面将吸取吸取电涡流探头中的高频振荡能量,使振
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- 关 键 词:
- 涡流 传感器
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