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1、3.3涡流式传感器 当当导导体体置置于于交交变变磁磁场场或或在在固固定定磁磁场场中中运运动动时时，导导体体内内引引起起感感应应电电流流，此此电电流流在在导体内闭合导体内闭合,称为称为涡流涡流。上一页下一页返回3.3.3 3.1.1 工作原理工作原理 线圈置于金属导体附近：线圈置于金属导体附近：线圈中通以交变电流线圈中通以交变电流 i1 i1产生正弦交变磁场产生正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流金属导体内就会产生涡流i2 涡流涡流i2产生反向电磁场产生反向电磁场H2 反作用于线圈反作用于线圈,导致线圈的导致线圈的电感电感、阻抗阻抗和和品质因数品质因数变化变化涡流效应演示 当线圈与金当线圈
2、与金属板的距离属板的距离x 减减小小时，线圈的时，线圈的等等效电感效电感L 及感抗及感抗XL减小减小，但等效，但等效电阻电阻R 增大增大。由于感抗由于感抗XL 的变化比的变化比 R 的变的变化化 大大 得得 多，因多，因此，流过线圈的此，流过线圈的电流电流 i1 增大。增大。线圈的电感线圈的电感、阻抗和品质因数的变化程度取决于、阻抗和品质因数的变化程度取决于线圈线圈L的的外形尺寸外形尺寸、线圈至金属板的距离线圈至金属板的距离、金属板材金属板材料的电阻率料的电阻率和和磁导率磁导率 以及以及激励电源的频率激励电源的频率等参数等参数。若控制上述参数中的若控制上述参数中的一个发生变化一个发生变化，其余
3、不变，其余不变，就能构成测量该参数的传感器。就能构成测量该参数的传感器。涡流效应的等效电路如图涡流效应的等效电路如图,导体中的涡流等效为短路环中的导体中的涡流等效为短路环中的电流电流I2。根据基尔霍夫定律得电。根据基尔霍夫定律得电压平衡方程：压平衡方程：由此可得由此可得线圈线圈受金属导体涡流影响后的受金属导体涡流影响后的等效阻抗等效阻抗：线圈线圈受金属导体涡流影响后的受金属导体涡流影响后的等效电感等效电感：线圈线圈受金属导体涡流影响后的受金属导体涡流影响后的品质因数品质因数：(3-69)(3-70)(3-71)三式均为三式均为M的非线性函数的非线性函数3.3.2 结构类型结构类型1.高频反射式
4、高频反射式 采用高频激励，影响性能的因素有：线圈的结构尺采用高频激励，影响性能的因素有：线圈的结构尺寸、材料；框架的材料；所用电缆和插头；被测导体的寸、材料；框架的材料；所用电缆和插头；被测导体的电导率、磁导率、大小、形状、厚度等电导率、磁导率、大小、形状、厚度等。（书。（书P88）1.线圈2.框架3框架衬套4支架5电缆6插头 线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；线圈线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；线圈内径和厚度的变化影响较小；内径和厚度的变化影响较小；被测体的电导率高，灵敏度也高。磁导率相反，被测体的电导率高，灵敏度也高。磁导率相反，且磁性体比非磁性体的灵敏度低。且磁性体比非磁性体的
5、灵敏度低。被测体表面镀层性质和厚度不均匀将影响测量精被测体表面镀层性质和厚度不均匀将影响测量精度。度。被测体的大小和形状的影响。平面被测体的直径被测体的大小和形状的影响。平面被测体的直径不应小于线圈直径的不应小于线圈直径的1.8倍。圆柱被测体直径不应小于倍。圆柱被测体直径不应小于线圈直径的线圈直径的3.5倍。倍。被测体厚度一般要大于被测体厚度一般要大于0.2mm才不影响测量结果。才不影响测量结果。2.低频透射式低频透射式(常用来测厚常用来测厚)透射式涡流传感器原理线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据测厚的依据:u2的大小间接反映了材料的大小间接反映了材料M的厚度的厚度h （t为电涡流的贯穿深度
6、）为电涡流的贯穿深度）上一页下一页返回t大，则大，则u2大大 要选择变化率较大的曲线部分：要选择变化率较大的曲线部分：测薄板时，测薄板时，h小，选小，选t3 ，即激励频率要高即激励频率要高 ，测厚板时，测厚板时，h大，选大，选t1 ，即激励频率要低。，即激励频率要低。U2与涡流的贯穿深度与涡流的贯穿深度t有关有关,结论：l当当被被测测材材料料的的电电阻阻率率不不同同时时，渗渗透透深深度度的的值值也也不不相相同同，于于是是又又引引起起u2h曲曲线线形形状状的的变变化化，为为使使测测量量不不同同的的材材料料时时所所得得到到的的曲曲线线形形状状相相近近，就就需需在在变变动动时时保保持持t不不变变，这
7、这时时应应该该相相应应地地改改变变f。测测较较小小的的材材料料(如如紫紫铜铜)时时，选选用用较较低低的的频频率率(500Hz);而而测测较较大大的的材材料料(如如黄黄铜铜、铝铝)时时，则则选选用用较较高高的的频频率率(2KHz)，从从而而保保证证传传感感器器在在测测量量不同材料时的线性度和灵敏度的一致性。不同材料时的线性度和灵敏度的一致性。上一页下一页返回测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。的频率。3.3.3 测量电路测量电路 根据涡流式传感器根据涡流式传感器 的工作原理，针对被测参量的工作原理，针对被测参量可以转换为可以转换为电感、
8、阻抗或电感、阻抗或Q值值三种参数的变化，测量三种参数的变化，测量电路也有三种：电路也有三种：谐振电路、电桥电路和谐振电路、电桥电路和Q值测试电路值测试电路。本节只讲解本节只讲解谐振电路。谐振电路。谐振电路的原理是将传感器线圈和电容组成并联谐振电路的原理是将传感器线圈和电容组成并联谐振回路，则谐振时的频率和阻抗为：谐振回路，则谐振时的频率和阻抗为：当传感器电感L变化时，f 和Z0均随之改变。1.定频调幅电路定频调幅电路 晶体振荡器提供高频激励信号；晶体振荡器提供高频激励信号；R为耦合电阻；为耦合电阻；输出高频载波信号较小，高频放大、检波、滤输出高频载波信号较小，高频放大、检波、滤波环节使输出信号
9、便于传输与测量；波环节使输出信号便于传输与测量；源极输出器用于减小振荡器的负载；源极输出器用于减小振荡器的负载；线路复杂，装调困难，线性范围窄。线路复杂，装调困难，线性范围窄。344 定频调幅谐振曲线定频调幅谐振曲线2.2.变频调幅电路变频调幅电路变频调幅电路变频调幅电路 将传感器将传感器 接入电容三点式振荡回路，当导体接近接入电容三点式振荡回路，当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应，振荡器输出电压的幅传感器线圈时，由于涡流效应，振荡器输出电压的幅度和频率均变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与度和频率均变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化。导体间的位移变化。结构简单，灵敏度高，
10、线性范围宽。结构简单，灵敏度高，线性范围宽。3.调频电路 与变频调幅电路不同与变频调幅电路不同 的是常以振荡频率的变化的是常以振荡频率的变化作为输出信号。若以电压作为输出信号，则后接鉴频作为输出信号。若以电压作为输出信号，则后接鉴频器。器。关键：提高振荡器的频率稳定度，从环境温度变关键：提高振荡器的频率稳定度，从环境温度变化、电缆电容变化和负载影响三方面考虑。化、电缆电容变化和负载影响三方面考虑。间间距距x的的测测量量：如如果果控控制制上上式式中中的的i1、f、r不不变变，电电涡涡流流线线圈圈的的阻阻抗抗Z就就成成为为间间距距x的的单单值值函函数数，这这样样就就成成为为非非接接触触地地测测量量
11、位位移移的的传传感器。感器。多种用途：多种用途：如果控制如果控制其他参数其他参数不变，就可以不变，就可以用来检测与表面电导率用来检测与表面电导率有关的有关的表面温度、表表面温度、表面裂纹等参数面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率，或者用来检测与材料磁导率 有有关的关的材料型号、表面硬度材料型号、表面硬度等参数。等参数。3.3.4涡流式传感器的应用Z=f（i1、f、r、x）被测参数变换量特征位移、厚度、振动（1）非接触测量，连续测量（2）受剩磁的影响。表面温度、电解质浓度材质判别、速度（温度）（1）非接触测量，连续测量；（2）对温度变化进行补偿应力、硬度（1）非接触测量，连续测量；（2）受剩磁
12、和材质影响探伤可以定量测量上一页下一页返回1位移测量位移测量(a)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(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图上一页下一页返回2 振幅测量振幅测量(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近上一页下一页返回3 3厚度测量厚度测量 涡流式厚度计的测量原理图上一页下一页返回4 4转速测量转速测量 f频率值(Hz)；n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。上一页下一页返回5.5.涡流探伤涡流探伤 l可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂
13、纹以可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。及用于焊接部位的探伤等。l综合参数综合参数(x,)的变化将引起传感器参数的的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。伤的目的。l在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号的，在测量线圈上就会产生调制频率信号 上一页下一页返回a)比较浅的裂缝信号比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号经过幅值甄别后的信号 在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比
14、。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。信号通过，而将干扰频率信号衰减。上一页返回用涡流探伤时的测量信号用涡流探伤时的测量信号位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、位偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同宽度等等。来自不同应用领域的许多量都应用领域的许多量都可归结为位移或间隙可归结为位移或间隙变化变化。数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头420mA涡流位移传感器外形涡流位移传感器外形（
15、参考德（参考德（参考德（参考德国图尔克公司资料）国图尔克公司资料）国图尔克公司资料）国图尔克公司资料）齐平式涡流位移齐平式涡流位移传感器外形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）V V系列系列涡流位移涡流位移传感器外形传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）V V系列系列涡流位移涡流位移传感器性能一览表传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关厂资料）偏心和振动检测偏心和振动检测测量弯曲、波动
16、、变形测量弯曲、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。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，涡流越小涡流越小测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙间距间距涡流位移传感器的距离涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线与输出电压特性曲线1量程为10mm 2量程为16mm 3量程为20mm振动测量振动测量 用涡用涡流探头、流探头、调幅法调幅法测量简测量简谐振动谐振动时，探时，探头的输头的输出波形出波形。调频法测量振动的波形调频法测量振动的波形振动测量振动测量测量悬臂梁的
17、振幅及频率测量悬臂梁的振幅及频率各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置电动机电动机转速测量转速测量镀层厚度测量镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，涡流越小。由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，涡流越小。测量前，可先用涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔测量前，可先用涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出作出“厚度厚度-输出输出”电压的标定曲线，以便测量时对电压的标定曲线，以便测量时对照。照。涡流涂层厚度仪涡流涂层厚度仪 涡流式通道安全检查门涡流式通道安全检查门 安检门的
18、内部设置有发射线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过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生涡流，会在接收线圈体表面产生涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物电压的大小、相位来判定金属物体的大小。体的大小。在安检门的侧面还安在安检门的侧面还安装一台装一台“软软x x光光”扫描仪，它对人扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。法，可合成完整的光学图像。安检门演示安检门演示当有当有金属物体穿金属物体穿越安检门时
19、报警越安检门时报警涡流表面探伤涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤大直径涡流探雷器大直径涡流探雷器 滚子子涡流探流探伤机机滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探伤的专用设备，可探出深出深 30m的表面微小的表面微小裂纹。裂纹。（参考参考无无锡市通达市通达滚子子有限公司有限公司资料资料）手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料参考厦门爱德华检测设备有限公司资料参考厦门爱德华检测设备有限公司资料参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）掌上型掌上型涡流涡流探伤仪探伤仪用掌上型涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型涡流探伤仪检测飞机裂纹台式涡流探伤仪台式涡流探伤仪