傳感器教學(xué)課件4電渦流傳感器

1、第四章 電渦流傳感器 本章學(xué)習(xí)電渦流傳感器的原理及應(yīng)用，并涉及接近開關(guān)的原理、結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)及應(yīng)用。8/21/20221第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理 電渦流效應(yīng)演示 當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x 減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L 減小，等效電阻R 增大，流過(guò)電渦流線圈的電流 i1 增大。 8/21/20222電渦流的應(yīng)用 在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?干凈、高效的 電磁爐8/21/20223集膚效應(yīng) 頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。 電渦流傳感器工作原理:當(dāng)高頻（100kHz2MHz）信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個(gè)靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L1時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體表面就產(chǎn)生電渦流i

2、2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)。 8/21/20224二、等效阻抗分析 檢測(cè)深度與激勵(lì)源頻率有何關(guān)系？ 電渦流線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式為： Z=R+jL=f（f、r、x）式中的r為表面因子。 如果控制上式中的f、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個(gè)變量的單值函數(shù)？屬于接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量？ 8/21/20225等效阻抗與非電量的測(cè)量 檢測(cè)深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測(cè)深度。激勵(lì)源頻率一般設(shè)定在100kHz1MHz。頻率越低，檢測(cè)深度越深。 間距x的測(cè)量：如果控

3、制上式中的f、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸位移傳感器。 其他用途：如果控制x、f不變，就可以用來(lái)檢測(cè)與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來(lái)檢測(cè)與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的磁性材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。 8/21/20226電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈8/21/20227電磁爐的工作原理 高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底發(fā)熱，燒開鍋 內(nèi) 食 物。8/21/20228第二節(jié) 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性 電渦流探頭外形交變磁場(chǎng)8/21/20229電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1電渦流線圈 2探頭殼體 3殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋 4印制線路板 5

4、夾持螺母 6電源指示燈 7閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭 8/21/202210CZF-1系列傳感器的性能 分析上表請(qǐng)得出結(jié)論： 探頭的直徑與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？ 8/21/202211大直徑電渦流探雷器 8/21/202212第三節(jié) 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 一、調(diào)幅式（AM）電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz2MHz）用于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈兩端電壓的衰減，輸出電壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的距離。8/21/202213部分常用材料對(duì)振蕩器振幅的衰減系數(shù) 人的手、泥土或裝滿水的玻璃杯能對(duì)振蕩器的振幅產(chǎn)生明顯的衰減嗎？

5、為什么？8/21/202214二、調(diào)頻（FM）式電路(100kHz1MHz） 當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x 改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L 也隨之改變，引起LC 振蕩器的輸出頻率變化。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo 。 8/21/202215并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 設(shè)電渦流線圈的電感量L=0.8mH，微調(diào)電容C0=200pF，求振蕩器的頻率f 。（1pF1012F）8/21/202216鑒頻器在調(diào)頻式電路中的應(yīng)用 設(shè)電路參數(shù)如上頁(yè)，計(jì)算電渦流線圈未接近金屬時(shí)的鑒頻器輸出電壓Uo0 ；若電渦流線圈靠近金屬后，電渦流探頭的輸出頻率f 上升為500kHz，f 為多

6、少？輸出電壓Uo為多少伏？8/21/202217第四節(jié) 電渦流傳感器的應(yīng)用 一、位移測(cè)量 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬量的電子器件。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化或振蕩頻率的變化，可地計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測(cè)量，工作時(shí)不受灰塵等因素的影響，可在各種惡劣條件下使用。8/21/202218位移測(cè)量?jī)x 位移測(cè)量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等。 來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測(cè)量?jī)x及探頭8/21/2

7、02219420mA電渦流位移傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料）8/21/202220齊平式電渦流位移傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料） 齊平式傳感器安裝時(shí)可以不高出安裝面，不易被損害。8/21/202221V系列電渦流位移傳感器外形（參考浙江洞頭開關(guān)廠資料）齊平式8/21/202222電渦流位移傳感器的應(yīng)用 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面因素、距離等，因此電渦流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，但也同時(shí)帶來(lái)許多不確定因素，一個(gè)或幾個(gè)因素的微小變化就足以影響測(cè)量結(jié)果。所以電渦流傳感器多用于定性測(cè)量。 在用作 定 量 測(cè)量時(shí)，必須采用逐點(diǎn)標(biāo)定

8、、計(jì)算機(jī)線性糾正、溫度補(bǔ)補(bǔ)償?shù)却胧?8/21/202223位移傳感器的分類8/21/202224 偏心和振動(dòng)檢測(cè)8/21/202225通過(guò)測(cè)量間隙來(lái)測(cè)量徑向跳動(dòng)8/21/202226測(cè)量彎曲、波動(dòng)、變形 對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。8/21/202227測(cè)量金屬薄膜、板材厚度電渦流測(cè)厚儀 測(cè)量冷軋板厚度導(dǎo)向輥的材料可以用金屬制作嗎？8/21/202228測(cè)量尺寸、公差及零件識(shí)別 通過(guò)測(cè)量間隙來(lái)測(cè)定 熱膨脹引起的上下平移8/21/202229測(cè)量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小8/21/202230測(cè)量注塑機(jī)開合模的間隙間距8/21/202231位移的標(biāo)定方法 使用千

9、分尺，逐一對(duì)照測(cè)量電路的輸出電壓及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對(duì)照表，存入計(jì)算機(jī)，從而達(dá)到線性化的目的。8/21/202232電渦流位移傳感器的距離與輸出電壓特性曲線1、2、3 的量程和線性范圍各為多少mm？8/21/202233二、振動(dòng)測(cè)量 用電渦流探頭、調(diào)幅法測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，探頭的輸出波形。8/21/202234調(diào)頻法測(cè)量振動(dòng)的波形8/21/202235振動(dòng)測(cè)量 汽輪機(jī)葉片測(cè)試 測(cè)量懸臂梁的振幅及頻率8/21/202236電渦流探頭接到圖4-4所示的調(diào)幅測(cè)量 葉片振動(dòng)的幅度Xm為多少mm？葉片振動(dòng)的周期T及頻率f為多少 8/21/202237三、轉(zhuǎn)速測(cè)量 若轉(zhuǎn)軸上開z 個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（

10、單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為 8/21/202238各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器及其與齒輪的相對(duì)位置8/21/202239齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量 例： 下圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測(cè)得頻率 f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n 。8/21/202240電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量8/21/202241四、鍍層厚度測(cè)量 由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測(cè)量前，可先用電渦流測(cè)厚儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測(cè)量時(shí)對(duì)照。 8/21/202242電渦流涂層厚度儀 8/21/202243電渦流涂層厚度儀原理8/21/202244測(cè)量金屬鍍層或絕緣層厚度 測(cè)量金屬鍍

11、層或絕緣層厚度的計(jì)算方法有何區(qū)別？8/21/202245五、電渦流式通道安全檢查門 安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過(guò)時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。8/21/202246安檢門演示當(dāng)有金屬物體穿越安檢門時(shí)報(bào)警在安檢門的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟x光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。 8/21/202247六、電渦流表面探傷 手持式裂紋測(cè)量?jī)x油管探傷8/21/202248滾子渦流探傷機(jī) 滾子渦流探傷機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設(shè)備，可探出深

12、 30m的表面微小裂紋。（參考無(wú)錫市通達(dá)滾子有限公司資料）8/21/202249手提式探傷儀外形（參考廈門愛德華檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）8/21/202250掌上型電渦流探傷儀8/21/202251用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋8/21/202252臺(tái)式電渦流探傷儀8/21/202253花瓣阻抗圖8/21/202254第五節(jié) 接近開關(guān)簡(jiǎn)介 接近開關(guān)又稱無(wú)觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。 接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。 8/21/202255接近開關(guān)外形 8/21/20

13、2256接近開關(guān)外形 8/21/202257接近開關(guān)外形（續(xù)） 8/21/202258一、常用的接近開關(guān)分類 常用的接近開關(guān)有電渦流式（以下簡(jiǎn)稱電感接近開關(guān)）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式 、超聲波式等。 8/21/202259二、接近開關(guān)的特點(diǎn) 接近開關(guān)與被測(cè)物不接觸、不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、體積小、安裝、調(diào)整方便； 缺點(diǎn)是 觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀。 8/21/202260三.接近開關(guān)的主要性能指標(biāo)： 額定動(dòng)作距離、工作距離、動(dòng)作滯差、重復(fù)定位精度（重復(fù)性）、動(dòng)作頻率等。 8/21/202261

14、四、電渦流接近開關(guān)（即：電感接近開關(guān)）的工作原理 電感接近開關(guān)由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，金屬物體在接近辨頭時(shí)，表面產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。8/21/202262五、電渦流接近開關(guān)原理框圖8/21/202263六、常見接近開關(guān)的型號(hào)說(shuō)明（摘自浙江洞頭開關(guān)廠資料）8/21/202264七、接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（1） 1.動(dòng)作（檢測(cè)）距離: 被測(cè)體按一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置（接近開關(guān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置到檢測(cè)

15、面的空間距離的標(biāo)稱值。 2.設(shè)定距離：指整定距離，一般為額定動(dòng)作距離的0.8倍，以保證工作可靠。 3.復(fù)位距離：接近開關(guān)動(dòng)作后，又再次復(fù)位時(shí)的與被測(cè)物的距離，它略大于動(dòng)作距離。 4.回差值: 動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值?；夭钪翟酱?，對(duì)外界的干擾以及被測(cè)物的抖動(dòng)等的抗干擾能力就越強(qiáng)。8/21/202265接近開關(guān)的檢測(cè)距離與回差8/21/202266接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（2） 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體：可與現(xiàn)場(chǎng)被檢金屬作比較的標(biāo)準(zhǔn)金屬檢測(cè)體。標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體通常為正方形的A3鋼，厚度為1mm，所采用的邊長(zhǎng)是接近開關(guān)檢測(cè)面直徑的2.5倍。8/21/202267不同材料的金屬檢測(cè)物對(duì)電渦流接近開關(guān)動(dòng)作距離的影響（以F

16、e為參考金屬） 對(duì)于非磁性材料，被測(cè)體的電導(dǎo)率越高，則靈敏度越高；被測(cè)體是磁性材料時(shí)，其磁導(dǎo)率將影響電渦流線圈的感抗，其磁滯損耗還將影響電渦流線圈的Q值。磁滯損耗大時(shí)，其靈敏度通常較高。8/21/202268接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（3） 接近開關(guān)的安裝方式：分齊平式和非齊平式。齊平式（又稱埋入型）的接近開關(guān)表面可與被安裝的金屬物件形成同一表面，不易被碰壞，但靈敏度較低；非齊平式（非埋入安裝型）的接近開關(guān)則需要把感應(yīng)頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。8/21/202269接近開關(guān)的安裝方式齊平式安裝非齊平式安裝8/21/202270接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（4） 響應(yīng)頻率f ：按規(guī)定，在1秒的時(shí)間間隔內(nèi)，

17、 接近開關(guān)動(dòng)作循環(huán)的最大次數(shù)，重復(fù)頻率大于該值時(shí)，接近開關(guān)無(wú)反應(yīng)。 響應(yīng)時(shí)間t ：接近開關(guān)檢測(cè)到物體時(shí)刻到接近開關(guān)出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間之差?？捎霉綋Q算： t=1/ f8/21/202271響應(yīng)頻率及響應(yīng)時(shí)間示意圖8/21/202272接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（5） 輸出狀態(tài)：常開/常閉型接近開關(guān) 當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí)，對(duì)常開型接近開關(guān)而言，由于接近開關(guān)內(nèi)部的輸出三極管截止，所接的負(fù)載不工作（失電）；當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，內(nèi)部的輸出級(jí)三極管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 對(duì)常閉型接近開關(guān)而言，當(dāng)未檢測(cè)到物體時(shí)，三極管反而處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載得電工作；反之則負(fù)載失電。8/21/202273接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（6） 常用的輸

18、出形式有： NPN二線， NPN三線， NPN四線， PNP二線， PNP三線， PNP四線， DC二線，AC二線， AC五線（帶繼電器）等幾種，讀者可查閱以下有關(guān)資料。8/21/202274輸出形式（14）負(fù)載負(fù)載藍(lán)藍(lán)藍(lán)藍(lán)8/21/202275輸出形式（58）負(fù)載負(fù)載負(fù)載8/21/202276 接近開關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋（7） 導(dǎo)通壓降：接近開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)內(nèi)部的輸出三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓降。一般情況下，導(dǎo)通壓降約為0.3V。8/21/202277導(dǎo)通壓降0.3V8/21/202278接近開關(guān)的接線方法舉例以NPN、常開型為例來(lái)說(shuō)明 接線方法 OUT端與GND端的壓降Uces約為0.3V，流過(guò)KA的電流IKA=（VCC-0. 3）/RKA。若IKA大于KA的額定吸合電流，則KA能夠可靠吸合。8/21/202279 請(qǐng)按接線圖將各元件正確地連接起來(lái)。8/21/2