常用传感器工作原理(电涡流式).ppt

第3章 常用传感器的工作原理 * * 何谓涡流？ 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)。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。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。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，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。 3.5 电涡流式传感器 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，这就是所谓的集肤效应现象。 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 ： 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：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，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。 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。 高频反射式 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δ，当线圈输入一交变电流i1 时，便产生交变磁通量Φ1 ，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Φ2，与线圈的磁场变化方向相反， Φ2总是抵抗Φ1的变化，由于涡流磁场Φ2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。 Φ1 i1 Φ2 i2 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。 1MHz 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 ?是这些参数的函数，可写成　　 Φ1 i1 Φ2 i2 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，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。　　 ④利用变换量 、 ?、 ?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： ①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，也可做成接近开关、计数器等； ②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 ③利用磁导率 ?作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器； 基本结构： 1 2 3 4 5 6 1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头 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CZF1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。 -15?+80 3 5 ?28 5000 CZF1-5000 -15?+80 3 3 ?15 3000 CZF1-3000 -15?+80 3 1 ?7 1000 CZF1-1000 使用温度 /?C 线性误差 （%） 分辨力 /?m 线圈外径 /mm 线性范围 /?m 型号 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？ 线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。 非接触电涡流式位移、振动传感器，具有非接触测量、线性范围较宽，灵敏度高、抗扰动能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。广泛应用于冶金、化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速、厚度、表面不平度等机械量的检测。 大直径电涡流探雷器 低频透射式 发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板，使线圈L2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2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e2随材料厚度h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e2的变化即可测厚度。 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，通常选激励频率为1kHz左右。