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1、第第3 3章章 常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理1何谓涡流？何谓涡流？在许多电工设备中都存在大块导体在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都会感应出电流。会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电
2、流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。如图所示。3.5 3.5 电涡流式传感器电涡流式传感器当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）将集中在导体表面流通，尤其当频率较高将集中在导体表面流通，尤其当频率较高时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的层中流动，这就是所谓的集肤效应集肤效应现象。现象。2交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度透深
3、度 ：可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡流传感器可分为：流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬度等参数，以
4、及用于无损探伤领域。度等参数，以及用于无损探伤领域。由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。射式电涡流传感器。31i12i24即，线圈阻抗即，线圈阻抗 是这些参数是这些参数的函数，可写成的函数，可写成1i12i25若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。较高，适用性强，因此得到了广泛的应
5、用。利用变换量利用变换量 、等的综合影响，可以做成探伤装置等。等的综合影响，可以做成探伤装置等。其应用大致有下列四个方面：其应用大致有下列四个方面：利用位移利用位移 作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率利用材料电阻率 作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器器利用磁导率利用磁导率 作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；6基本结构：1234561 线圈线
6、圈 2 框架框架 3 衬套衬套4 支架支架 5 电缆电缆 6 插头插头高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。高温漆包线。下图为下图为C
7、ZF1CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。槽内，形成线圈的结构方式。7型号线性范围/m线圈外径/mm分辨力/m线性误差（%）使用温度/CCZF1-1000 1000 7 1 3-15+80 CZF1-30003000 1533-15+80CZF1-5000500028 5 3-15+80 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论：线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。线圈外径越大，测量范
8、围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。8非非接接触触电电涡涡流流式式位位移移、振振动动传传感感器器，具具有有非非接接触触测测量量、线线性性范范围围较较宽宽，灵灵敏敏度度高高、抗抗扰扰动动能能力力强强、无无介介质质影影响响、稳稳定定可可靠靠、易易于于处处理理等等优优点点。广广泛泛应应用用于于冶冶金金、化化工工。航航天天等等行行业业中中，进进行行位位移移、振振动动、转转速速、厚厚度度、表表面面不不平平度度等等机机械械量的检测。量的检测。9大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 10发射线圈发射线圈L1和和接收线圈接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤分置于被测金属板的上下方。由于低
9、频磁场集肤效应小，渗透深，当低频效应小，渗透深，当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到线圈加到线圈L1的两端后，所产生的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板，使线圈磁力线的一部分透过金属板，使线圈L2产生感应电动势产生感应电动势e2。但由于涡流消。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势大，输出电动势e2越小。因此，越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。试验表明关。试验表明e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负指数规律减少，因此
10、，若金属板材的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材料的性质一定，则利用料的性质一定，则利用e2的变化即可测厚度。的变化即可测厚度。11 测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为激励频率为激励频率为激励频率为1kHz1kHz左右左右左右左右。12测量电路：阻抗分压式调幅
11、电路和调频电路阻抗分压式调幅电路和调频电路并联谐振回路并联谐振回路阻抗分压式调幅电路阻抗分压式调幅电路是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z因而传感线圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法13调频电路调频电路调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离发生变化时，将引起线圈电感的变化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即可得到与 成比例的输出电压。14应用1.1.位移测量位移测量主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数
12、，都可用电涡流式传感器来测量。主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。2.2.转速测量转速测量在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n n）金属体，旁边安装一个电涡流）金属体，旁边安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数，传感器，当旋转
13、体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数，求出转速：求出转速：3.3.电涡流探伤电涡流探伤可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。15高频反射式涡流厚度传感器16涡流轴心轨迹测量17涡流振动测量涡流转速测量18
14、19利利用用涡涡电电流流传传感感器器测测量量物物体体位位移移时时，如如果果被被测测物物体体是是塑塑料料材材料料，此此时时能能否否进进行行位位移移测测量量？为为了了能能对对物物体进行位移测量应采取什么措施。体进行位移测量应采取什么措施。思思 考考20电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、高效干净、高效的的 电磁炉电磁炉21电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈22电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过励磁线圈，通过励磁线圈，产生交变磁场，产生交变磁场，在铁质锅底会在铁质锅底会产生无数的电产生无数的电涡流，使锅底涡流，使锅底自行发热，烧自行发热，烧开锅开锅 内内 的的 食食 物。物。23