第3章电感式传感器案例分析.ppt

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） 掌上型电涡流探伤仪 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 台式电涡流探伤仪 3~20mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料） 齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料） 齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。 V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料） 齐平式 小 结 主线：传感器结构、类型—特性—测量电路—应用 根据简化模型，可画出等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为 电涡流式传感器等效电路图 式中： ω——线圈激磁电流角频率； R1、L1——线圈电阻和电感； L2——短路环等效电感； R2——短路环等效电阻； M——互感系数。 根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程： 解得等效阻抗Z的表达式为 式中： 线圈受电涡流影响后的等效电阻 线圈受电涡流影响后的等效电感 线圈的等效品质因数Q值为 分析 等效电阻、等效电感以及品质因数都是互感系数平方的函数，而互感系数又是线圈距离的非线性函数，因此R＝f1（x）， L＝f2（x）， Q＝f3（x）都是非线性函数，但在某一范围内，可以将这些函数关系近似通过某一线性函数来表示。 电涡流的轴向贯穿深度 贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。 ? 由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示： d —金属导体中某一点与表面的距离； Jd —沿H1轴向d处的电涡流密度； J0 —金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值； h—电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。 电涡流密度轴向分布曲线 图示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。 模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得： 透射式涡流传感器 反射式涡流传感器 被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则电涡流贯穿深度h愈大。故透射式电涡流传感器一般都采用低频激励。 解释低频透射高频反射 3.3.3 电涡流传感器测量电路 根据电涡流式传感器的原理，被测量（距离x）可以由传感器转换为传感器的Q值以及等效电阻R和等效电抗L三个参数，并用相应的测量电路来测量。 用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、 调幅式电路两种。 调频式测量电路框图 1. 调频式电路 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器电路如图所示。振荡器的频率为 2. 调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。 石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压 Z为LC回路的阻抗 当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、 检波后， 由指示仪表直接显示出x的大小。 透射式涡流厚度传感器结构原理图 1. 低频透射式涡流厚度传感器 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通φ1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流, 并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为φ1′，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚， 涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1～100 mm， 分辨率为0.1 μm，线性度为1%。 . . . . . 3.3.3 涡流式传感器的应用