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1、关于常用传感器工作原理电涡流式第1页，讲稿共23张，创作于星期日2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。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。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。这些这些电流的特点是：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。因此，称之为。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流时，涡旋电流，简称涡流。例
2、如，含有圆柱导体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。圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，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）将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，尤其当频率较高时，此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层中流动，电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的这就是所谓的集肤效应集肤效应现象。现象。第2页，讲稿共23张，创作于星期日3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，其穿透深度交变电流频率越高，涡流的
3、集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度 ：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，涡流传感器可见，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：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。前者用于非接触式位移变量的检测，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。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，并能进行非接触由于结构简单、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、硬度等参数，以及用于无
4、测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。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射式电涡流传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。感器。第3页，讲稿共23张，创作于星期日4如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i1 时，便产生交变磁通量1，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2 ，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场2，与线圈的磁场变化方向相反，2总是抵抗1的变化，由于涡流磁场2的作用的
5、作用使原线圈的等效阻抗发生变化。1i12i2涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。量的。1MHz第4页，讲稿共23张，创作于星期日5一般讲，线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率、磁导率、线圈与金属导体的距离以及线圈激励电流的频率等参数有关。即，线圈阻抗即，线圈阻抗 是这些参数的函是这些参数的函数，可写成数，可写成1i12i2第5页，讲稿共23张，创作于星期日6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
6、较高，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。适用性强，因此得到了广泛的应用。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、转速等传感器，也可作为变化量，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；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、材质判别等传感器作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器利用磁导率
7、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；第6页，讲稿共23张，创作于星期日7基本结构：1234561 线圈线圈 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、形状对整个测量系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漆包线；要求较高的场统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的
8、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，需要用高温漆包线。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。下图为下图为CZF1CZF1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，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。形成线圈的结构方式。第7页，讲稿共23张，创作于星期日8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
9、 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，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。第8页，讲稿共23张，创作于星期日9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，进进行行位移、振动、转速、
10、厚度、表面不平度等机械量的检测。位移、振动、转速、厚度、表面不平度等机械量的检测。第9页，讲稿共23张，创作于星期日10大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 第10页，讲稿共23张，创作于星期日11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。由于低频磁场集肤效应小，分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频渗透深，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，所产生磁力线的一部分的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板，使线圈透过金属板，使线圈L2产生感应电动势产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应。但由于涡
11、流消耗部分磁场能量，使感应电动势电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，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关。试验表明的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。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，则利用律减少，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测厚度。的变化即可测厚度。第11页，讲稿共23张，创作于星期日12 测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小测量厚
12、度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小测量厚度时，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，通常选于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选于被测厚度，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。第12页，讲稿共23张，创作于星期日13测量电路：阻抗分压式调幅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
13、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，故称调幅法第13页，讲稿共23张，创作于星期日14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。第14页，讲稿共23张，创作于星期日15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，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，
14、钢水液位，流体压力等。日本用电涡流如：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。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传感器，当）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，求出转速：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，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
15、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、磁导率变化，也可以说是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。裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。第15页，讲稿共23张，创作于星期日16高频反射式涡流厚度传感器第16页，讲稿共23张，创作于星期日17涡流轴心轨迹测量第17页，讲稿共23张，创作于星期日18涡流振动测量涡流转速测量第18页，讲稿共23张，创作于星期日1
16、9第19页，讲稿共23张，创作于星期日20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体进进行位移测量应采取什么措施。行位移测量应采取什么措施。思思 考考第20页，讲稿共23张，创作于星期日21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 电磁炉电磁炉第21页，讲稿共23张，创作于星期日22电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈第22页，讲稿共23张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第23页，讲稿共23张，创作于星期日