第7章 电感式传感器(2)

1第三节涡流式传感器电涡流效应演示2由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;•电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚度、表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触测量。•形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中3电涡流的应用——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉4一、工作原理把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。涡流线圈结构虽然简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路。5二、等效电路分析根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：101010ZRjL当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用，等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：10110121RIjLIjMIU122220jMIRIjLI6222212211010222212222[]()()UMRMLZRjLIRLRL解方程得到金属靠近后传感器（初级）的等效阻抗结论：•凡是能引起R2L2M变化的物理量均可以引起传感器线圈R1、L1的变化。•被测体（金属）的电阻率ρ、导磁率μ、厚度d，线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系•ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1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Z成为这个参数的单值函数。(,,,,)Zfd7集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。当高频（100kHz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L1时，将产生高频磁场H1。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i2。i2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（也称趋肤效应）。8等效阻抗与非电量的测量检测深度的控制：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，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。间距x的测量：如果控制上式中的其他参数不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距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：如果控制其他参数不变，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。9电磁炉内部的励磁线圈10电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，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。11三、涡流的分布和强度涡流的分布：因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。12径向分布：涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，线圈外径确定后涡流范围也就确定了。•线圈外径处，r=ros金属涡流密度最大；•线圈中心处，r=0涡流密度为零(j=0)；•r0.4ros处（以内）基本没有涡流；•r=1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%。涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj13轴向分布：由于集肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；/0zhzjjeh——集肤深度j0——金属表面涡流密度(最大）jz——金属表面距离Z处的涡流JzJo/ehz14强度：当线圈与被测体距离（X）改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。金属导体表面的电涡流强度I2与距离X是非线性关系，随x/r上升而下降。21221osxIIxrI2只有在x/r1才能有较好的线性和灵敏度。X=0，I2=I1；X/ros=1,I2=0.3I1Xros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros要大X/rosI2/I11.01234四、电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形交变磁场16电涡流探头内部结构1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头17CZF-1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围及分辨力之间有何关系？18大直径电涡流探雷器19五、测量转换电路1、调幅式（AM）电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）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Uo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）。20二、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）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。21鉴频器特性使用鉴频器可以将f转换为电压Uo鉴频器的输出电压与输入频率成正比22六、电涡流传感器的应用1、位移测量电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）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，可以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非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。23位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头244~20mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）25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，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。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。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定性测量。即使要用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。26偏心和振动检测27通过测量间隙来测量径向跳动28测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。29测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度30测量尺寸、公差及零件识别..\动画\dh22.gif通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移31测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小32测量注塑机开合模的间隙间距332、振动测量用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形。34调频法测量振动的波形35振动测量汽轮机叶片测试测量悬臂梁的振幅及频率363、转速测量若转轴上开z个槽(或齿)，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60fnz37各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置38电动机转速测量394、厚度测量•低频透射式涡流厚度传感器40•高频反射式涡流厚度传感器，可减小因为振动引起的干扰厚度不变时X1+X2=常数，输出电压=2U厚度变化△σ时，输出电压=2U+△U给定厚度σ与变化值△σ的代数和就是被测带材厚度。•电涡流金属板、带材厚度测量41镀层厚度测量由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。42电涡流涂层厚度仪原理43测量金属镀层或绝缘层厚度445、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台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。45安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警46•电涡流探伤金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤由于集肤效应导体表面电涡流密度最大，表面信息量最大，可用电涡流传感器测量金属表面缺陷，存在缺陷时引起金属ρ、μ的变化。探伤时传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起输出电压的变化。..\动画\dh23.gif6、电涡流表面探伤47手持式裂纹测量仪油管探伤48滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深30μm的表面微小裂纹。（参考无锡市通达滚子有限公司资料）49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）50掌上型电涡流探伤仪51用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹52台式电涡流探伤仪53第四节感应同步器一、结构原理感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成，如图所示。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成，如图所示。在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90°相角，故又称为正弦、余弦绕组。工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。54(a)定尺；(b)滑尺55(a)定子；(b)转子56定尺与滑尺相对运动时的输出波形演示57二、按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。1.滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开1/4定尺的节距，激励时加上等幅等频，相位差为90°的交流电压，sinωt和cosωt来激励，这样，就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量，故叫鉴相型。58按叠加原理求得定尺上总感应电动势为)sin(cossinsincostUktUktUkeeemmmcs式中的θ=2πx/ω称为感应电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距，变化一个周期（2π）。592.鉴幅方式如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。加到滑尺两绕组的交流励磁电压为tUutUuccsscoscos式中Us=Umsinφ；Uc=UmcosφUm——φ——给定的电相角。60定尺的总感应电势为e=es+ec=kωUssinωtsinθ+kωUcsinωtcosθ=kωUmsinωt(cosφcosθ+sinφsinθ)=kωUmsinωtcos(φ-θ)式中把感应同步器两尺的相对位移x=2πθ/ω和感应电势的幅值kωUmcos(φ-θ)联系了起来。61三、感应同步器位移测量系统图为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列，经过脉冲—相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波θ0和指令信号方波θ1。参考信号方波θ0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90°的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的