3.3-電渦流式傳感器解析

電渦流式傳感器電渦流傳感器可以測(cè)量位移、厚度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無(wú)損探傷，是一種應(yīng)用廣泛且有發(fā)展前途的傳感器。電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)原理，將位移等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化），從而進(jìn)行非電量電測(cè)的。渦流—當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)引起感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合。1

3.3.1

電渦流式傳感器的工作原理

3.3.2

電渦流式傳感器的類(lèi)型

3.3.3

渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器23.3.1

電渦流式傳感器的工作原理

1.工作原理線圈置于金屬導(dǎo)體附近：線圈中通以高頻信號(hào)i1

正弦交變磁場(chǎng)H1

金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng)H2

反作用于線圈,改變了電感3傳感器線圈受渦流影響時(shí)的等效阻抗Z為42.等效電路討論電渦流式傳感器時(shí)，可以把產(chǎn)生渦流的金屬導(dǎo)體等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流只分布在環(huán)體內(nèi)?？傻玫刃щ娐罚?從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。6R2為電渦流短路環(huán)等效電阻：h為電渦流的深度，ra為短路環(huán)外徑，ri為內(nèi)徑由基爾霍夫電壓定律有：7結(jié)論：由于電渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)部（等效電阻）增大，虛部（等效電感）減小，線圈的等效品種因素下降。電渦流式傳感器的等效參數(shù)都是互感系數(shù)M2的函數(shù)。通常總是利用其等效電感的變化組成測(cè)量電路，因此，電渦流式傳感器屬于電感式（互感式）傳感器。83.測(cè)量電路用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要是調(diào)頻式、調(diào)幅式測(cè)量電路兩種。（1）調(diào)頻式測(cè)量電路。傳感器線圈作為L(zhǎng)C振蕩器的電感元件，當(dāng)傳感器等效電感在渦流影響發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率，或通過(guò)變換后數(shù)字電壓表測(cè)量出對(duì)應(yīng)的電壓。前置級(jí)整形放大鑒頻器濾波VDC9（2）調(diào)幅式測(cè)量電路當(dāng)金屬導(dǎo)體與傳感器的相對(duì)位置為某一確定值時(shí)，LC振蕩回路的振動(dòng)頻率恰好等于激勵(lì)頻率f0，此時(shí)，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上輸出的電壓也最大。當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體接近或遠(yuǎn)離線圈時(shí)，線圈電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，相應(yīng)的諧振頻率改變，等效阻抗減小，使輸出電壓幅值減小。源極跟蹤器交流放大器檢波濾波器xVDC振蕩器RC0L10

式中,ρ——導(dǎo)體電阻率(Ω·cm)；

r——導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；

?——交變磁場(chǎng)頻率(Hz)。3.3.2電渦流式傳感器的類(lèi)型渦流穿透深度h與激勵(lì)頻率有關(guān)，所以電渦流式傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率高低，可分為高頻反射式和低頻透射式兩類(lèi)。渦流穿透深度h與激勵(lì)頻率有關(guān)，磁場(chǎng)變化頻率越高，渦流的集膚效應(yīng)越顯著，即渦流的穿透深度越小，其穿透深度為：11線圈框架3．框架襯套4．支架5．電纜6．插頭1.高頻反射式渦流傳感器12下圖所示為高頻反射式渦流傳感器工作原理。金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為δ，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量Φ金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t，金屬板與線圈的距離x，激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。132.低頻透射式渦流傳感器透射式渦流傳感器原理線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線測(cè)厚的依據(jù):E的大小間接反映了M的厚度t發(fā)射線圈接收線圈14

低頻透射式渦流傳感器的工作原理如右圖所示，發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。

由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。15但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。16當(dāng)選用不同的測(cè)試頻率時(shí)，滲透深度Q滲的值是不同的，從而使E—t曲線的形狀發(fā)生變化。在t較小的情況下，Q小曲線的斜率大于Q大曲線的斜率；而在t較大的情況下，Q大曲線的斜率大于Q小曲線的斜率。測(cè)量薄板時(shí)應(yīng)選較高的頻率，測(cè)量厚材時(shí)應(yīng)選較低的頻率。17測(cè)試頻率與材料關(guān)系對(duì)于一定的測(cè)試頻率，當(dāng)被測(cè)材料的電阻率不同時(shí)，滲透深度Q滲的值也不相同，于是又引起E－t曲線形狀的變化，為使測(cè)量不同的材料時(shí)所得到的曲線形狀相近，就需在變動(dòng)ρ時(shí)保持Q不變，這時(shí)應(yīng)該相應(yīng)地改變f。測(cè)較小的材料(如紫銅)時(shí)，選用較低的(500Hz)而測(cè)較大的材料(如黃銅、鋁)時(shí)，則選用較高的(2KHz)，從而保證傳感器在測(cè)量不同材料時(shí)的線性度和靈敏度。183.3.3

渦流式傳感器的應(yīng)用被測(cè)參數(shù)變換量特征位移、厚度、振動(dòng)

（1）非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量（2）受剩磁的影響。表面溫度、電解質(zhì)濃度材質(zhì)判別、速度（溫度）

(1)非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量；

(2)

對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償應(yīng)力、硬度

（1）

非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量；（2）

受剩磁和材質(zhì)影響探傷可以定量測(cè)量191．位移測(cè)量(a)汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量示意圖(b)磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測(cè)量示意圖(c)金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖1-被測(cè)體2-傳感器探頭202．振幅測(cè)量(a)汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)常用的監(jiān)控主軸的徑向振動(dòng)的示意圖(b)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振幅的示意圖(c)通常使用數(shù)個(gè)傳感器探頭并排地安置在軸附近1-被測(cè)體2-傳感器探頭213．厚度測(cè)量

電渦流式厚度計(jì)的測(cè)量原理圖1-被測(cè)體2-傳感器探頭224．轉(zhuǎn)速測(cè)量

f——頻率值(Hz)；

n——旋轉(zhuǎn)體的槽(齒)數(shù)；

N——被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速(r／min)。235.渦流探傷

原理:裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。火車(chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)24可以用來(lái)檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。綜合參數(shù)(x,ρ,μ)的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通過(guò)測(cè)量傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的。在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是