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自动检测技术课程 授课教案
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第四章 电涡流传感器
课题:电感传感器的原理及应用课时安排:3课次编号:6~7教材分析难点:接近开关重点:三线制OC门以及施密特特性的分析工业应用。教学目的和要求1、了解电涡流传感器的工作原理;
2、掌握FM电路的应用;
3、了解接近开关的原理;
4、掌握接近开关的应用。采用教学方法和实施步骤:讲授、课堂互动、分析教具:电涡流传感器及接近开关各教学环节和内容演示:
做以下的实验:
将一只电涡流探头逐渐靠近各种实验用的金属板,例如电池外壳、黑板擦、硬币等等。该探头接到PM电路,PM电路的输出(例如200kHz)与一恒定频率的振荡器信号(例如199kHz)相减,产生差拍,差拍电路的输出频率是可闻声波fΔ(在本例中为1kHz),fΔ的声调随着金属板与探头之间的距离减小而变尖。
将非导电物体,例如粉笔盒、书、玻璃杯等靠近探头,差拍声调不变。
从以上演示引出电工中的“串连谐振”频率的经典公式:
差拍之前的探头频率f变大是差拍后的输出频率fΔ变大的根本原因。
请学生分析为什么f变大:
上式中的C0是常数,而L是变量。分母变小,导致f变大。导出公式(4-1):
公式(4-1)结论:探头与金属物体的距离靠近后,两者之间的互感量M变大,导致探头线圈的等效电感减小,所以谐振电路的输出频率变大。
一、电涡流效应
金属导体置于变化的磁场中时,导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合,这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流,这种现象称为电涡流效应
电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z与金属导体的f、μ、σ有关,与电涡流线圈的激励源频率f(f=ω/2π)等有关,还与金属导体的形状、表面因素(粗糙度、沟痕、裂纹等)r有关。更重要的是与线圈到金属导体的间距(距离)x有关,可用以下的函数表达式来表示
Z = R+ jωL=f(f、μ、σ、r、x) (4-2)
结论:如果控制上式中的f、?、σ、r不变,电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数,这样就成为非接触位移传感器。
如果控制x、i1、f不变,就可以用来检测与表面电导率σ有关的表面温度、表面裂纹等参数,或者用来检测与材料磁导率μ有关的材料型号、表面硬度等参数。
提示:
电涡流线圈的阻抗与μ、σ、r、x之间的关系均是非线性关系,必须由计算机进行线性化纠正。
第二节 电涡流传感器的结构及特性
一、电涡流探头结构
电涡流传感器的传感元件是一只线圈,俗称为电涡流探头。激励源频率较高(数十千赫至数兆赫)。
图4-3 电涡流探头结构
1-电涡流线圈 2-探头壳体 3-壳体上的位置调节螺纹 4-印制电路板
5-夹持螺母 6-电源指示灯 7-阈值指示灯 8-输出屏蔽电缆线 9-电缆插头
提示:
探头的直径越大,测量范围就越大,但分辨力就越差,灵敏度也降低。
提问:指示灯6不亮,3个原因是:
如果指示灯6亮,指示灯7始终不亮,原因是:
第三节 电涡流传感器的测量转换电路
一、调幅式电路
AM:以输出固定频率信号的幅度来反映调制信号的大小。例如中波、短波广播电台的信号。
当被测体为金属时,探头线圈的等效电感L减小、R增大,引起Q值下降。
当并联谐振回路的谐振频率f1f0,处于失谐状态,输出电压大大降低。
图4-4 定频调幅式测量转换电路
二、调频式电路
FM:以输出固定幅度、频率上下波动的信号的来反映调制信号的大小。例如调频广播电台的信号。
在电涡流传感器中,以LC振荡器的频率f作为输出量。当电涡流线圈与被测体的距离x改变时,电涡流线圈的电感量L也随之改变,引起LC振荡器的输出频率变化,此频率可以通过F/V转换器(又称为鉴频器),将?f转换为电压?Uo,由表头显示出电压值。也可以直接将频率信号(TTL电平)送到计算机的计数/定时器,测量出频率的变化。鉴频器特性如图4-6b所示。
图4-6 调频式测量转换电路原理框图及特性
a)信号流程 b)鉴频器特性
第四节 电涡流传感器的应用
多变量传感器的使用原则:
必须固定其他因素就可以测量剩下的一个因素。
多变量传感器多用于定性测量:
电涡流传感器的应用领域十分广泛,但也同时带来许多不确定因素,一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果,所以电涡流传感器多用于定性测量。即使要用作定量测量,也必须采用前面述及的逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。
介绍转轴的转速n(单位为r/min)的测量方法,以及计算公式
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