自动检测与转换技术3.0

2020/2/261第三讲电涡流传感器本章学习电涡流传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性参数及应用。基于电涡流效应制作的传感器(非接触定性测量)2020/2/262第一节电涡流传感器工作原理电涡流效应演示当高频(100KHZ～1MHZ)电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。2020/2/263电涡流传感器的测量量1.把距离x的变化变换成电量的变化:做成位移、振幅、厚度等传感器2.把电导率σ的变化变换成电量的变化:做成表面温度、电解质浓度、材质判别等传感器3.把磁导率μ的变化变换成电量的变化:做成应力、硬度等传感器4.把x、σ、μ综合变化变换成电量的变化:做成材料探伤装置2020/2/264电涡流的应用——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈2020/2/266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。第二节电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形交变磁场2020/2/268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2020/2/269CZF-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？探头的直径越大,测量范围就越大,分辨力就越低2020/2/2610大直径电涡流探雷器2020/2/2611电涡流探头的作用:将电涡流探头与被测金属之间的互感量的变化转换为探头线圈的等效阻抗/Z/(主要是XL)或者品质因素Q等参数的变化.测量转换电路的作用:将以上参数变换为频率、电压或电流.测量转换电路的类别:谐振法(调频式、调幅式)、电桥法第三节测量转换电路2020/2/2612谐振法:将电感和电容并联组成LC并联谐振回路.谐振频率为:谐振时回路的等效阻抗最大为:Z0=L/RC当电感发生变化时,回路的等效阻抗和谐振频率将随L的变化而变化,因此可以利用测量回路阻抗的方法(调幅式)或者测量回路谐振频率的方法（调频式）间接反映出传感器的被测值.014-32fLC2020/2/2613一、调幅式（AM）电路用输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与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(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）。2020/2/2614二、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。2020/2/2615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。014-32fLC2020/2/2616鉴频器在调频式电路中的应用设电路参数如上页，计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电压Uo0；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？鉴频器的输出电压与输入频率成正比使用鉴频器可以将f转换为电压Uo2020/2/2617第四节电涡流传感器的应用一、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，可地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。2020/2/2618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2020/2/26194~20mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）2020/2/2620齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。2020/2/2621V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式2020/2/2622V系列电涡流位移传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料）2020/2/2623某V系列电涡流位移传感器的机械图2020/2/2624四线制电涡流位移传感器的接线说明该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。2020/2/2625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。2020/2/2626位移传感器的分类2020/2/2627偏心和振动检测2020/2/2628通过测量间隙来测量径向跳动2020/2/2629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。2020/2/2630测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度2020/2/2631测量尺寸、公差及零件识别通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移2020/2/2632测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小2020/2/2633测量注塑机开合模的间隙间距2020/2/2634位移的标定方法使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。2020/2/2635电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线1—量程为10mm2—量程为16mm3—量程为20mm2020/2/2636二:振动测量汽轮机叶片测试测量悬臂梁的振幅及频率2020/2/2637三、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2020/2/2638齿轮转速测量例：下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。2020/2/2639各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置2020/2/2640电动机转速测量2020/2/2641四、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。电涡流涂层厚度仪2020/2/2643电涡流涂层厚度仪原理2020/2/2644测量金属镀层或绝缘层厚度测量金属镀层或绝缘层厚度有何区别？2020/2/2645五、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。2020/2/2646安检门演示2020/2/2647六、电涡流表面探伤手持式裂纹测量仪油管探伤2020/2/2648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）2020/2/2649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）2020/2/2650掌上型电涡流探伤仪2020/2/2651用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹2020/2/2652台式电涡流探伤仪2020/2/2653花瓣阻抗图2020/2/2654第五节接近开关简介接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（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，就可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。2020/2/2655接近开关外形2020/2/2656接近开关外形2020/2/2657接近开关外形（续）2020/2/2658一、常用的接近开关分类常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关，以下仅以电感接近开关称呼之）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等。2020/2/2659二、电涡流接近开关原理框图2020/2/2660三、电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理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。它由LC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。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。2020/2/2661四、接近开关的特点优点:与被测物不接触、不会产生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、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；缺点:触点容量较小、输出短路时易烧毁。2020/2/2662五.接近开关的主要性能指标：1.动作（检测）距离:动作距离是指检测体按一定方式移动到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。2.设定距离：指接近开关在实际工作中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。以保证工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。4.回差值:动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。2020/2/2663接近开关的检测距离与回差2020/2/2664接近开关的术语解释（1）标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。2020/2/2665不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。2020/2/2666接近开关的术语解释（2）接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。2020/2/2667接近开关的安装方式齐平式安装非齐平式安装2020/2/2668接近开关的术语解释（3）响应频率f：按规定，在1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。响应时间t：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算：t=1/f2020/2/2669响应频率及响应时间示意图2020/2/2670接近开关的术语解释（4）输出状态：常开/常闭型接近开关当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近