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检测技术7第七章电涡流传感器

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电涡流传感器
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第三节 涡流式传感器 电涡流效应演示 1 vv 由法拉第电磁感应原理可知:一个块状金属导由法拉第电磁感应原理可知:一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线 运动时,导体内部会产生一圈圈闭合的电流,这运动时,导体内部会产生一圈圈闭合的电流,这 种电流叫电涡流,这种现象叫做电涡流效应。根种电流叫电涡流,这种现象叫做电涡流效应。根 据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; ; • • 电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚 度、表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测度、表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测 量进行非接触测量。量进行非接触测量。 • • 形成电涡流必须具备两个条件:形成电涡流必须具备两个条件: ① ① 存在交变磁场存在交变磁场 ② ② 导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中 2 电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到 干净、 高效的 电磁炉 3 一、工作原理一、工作原理 ØØ 把一个扁平线圈置于金属把一个扁平线圈置于金属 导体附近,当线圈中通以交导体附近,当线圈中通以交 变电流变电流I I 1 1 时,线圈周围空间时,线圈周围空间 产生交变磁场产生交变磁场H H 1 1 ,当金属导,当金属导 体靠近交变磁场中时,导体体靠近交变磁场中时,导体 内部就会产生涡流内部就会产生涡流I I 2 2 ,这个,这个 涡流同样产生反抗涡流同样产生反抗H H 1 1 的交变的交变 磁场磁场H H2 2 。 。 ØØ 涡流线圈结构虽然简单,涡流线圈结构虽然简单, 但要定量分析是很困难的,但要定量分析是很困难的, 可根据实际情况建立一个模可根据实际情况建立一个模 型,求出模型的等效电路。型,求出模型的等效电路。 4 二、等效电路分析二、等效电路分析 ØØ 根据涡流的分布,可以把涡流所在范围近似看成一个根据涡流的分布,可以把涡流所在范围近似看成一个 单匝短路次级线圈单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时,相当次级开路。线圈远离被测体时,相当次级开路. . 原线圈的电感原线圈的电感L L1010和电阻和电阻R R1010阻抗为:阻抗为: 当线圈靠近金属导体时,次级线圈通过互感当线圈靠近金属导体时,次级线圈通过互感 M M 对初级作用,对初级作用, 等效电路的两个回路方程(基尔霍夫第二定律):等效电路的两个回路方程(基尔霍夫第二定律): 5 解方程得到金属靠近后传感器(初级)的等效阻抗解方程得到金属靠近后传感器(初级)的等效阻抗 结论:结论: • • 凡是能引起凡是能引起 R R2 2 L L 2 2 M M变化的物理量均可以引起传 变化的物理量均可以引起传 感器线圈感器线圈R R1 1 、、 L L1 1 的变化。的变化。 • • 被测体(金属)的电阻率被测体(金属)的电阻率ρρ、导磁率、导磁率μμ、厚度、厚度d d,线圈,线圈 与被测体间的距离与被测体间的距离X X,, 激励线圈的角频率激励线圈的角频率ωω等都通过涡流等都通过涡流 效应和磁效应与线圈阻抗效应和磁效应与线圈阻抗Z Z发生关系发生关系 • •ρρ、、μμ、、d d、、X X、、ωω的变化使的变化使R1R1、、L1L1发生变化,发生变化,若控制某若控制某 些参数不变,只改变其中一个参数,可使阻抗些参数不变,只改变其中一个参数,可使阻抗 Z Z 成为这成为这 个参数的单值函数。个参数的单值函数。 6 集肤效应 集肤效应与激励源频率f、工件的电导率 、磁导率等有关。频率f越高,电涡流的渗 透的深度就越浅,集肤效应越严重。 当高频(100kHz左右)信号源产生的高频电压施 加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时,将产生 高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时 ,被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向 并不是均匀分布的,而只集中在金属导体的表面,这 称为集肤效应(也称趋肤效应)。 7 等效阻抗与非电量的测量 检测深度的控制:由于存在集肤效应,电 涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f ,可控制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz~1MHz。频率越低,检测深度越深。 间距x的测量:如果控制上式中的其他参数不变, 电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数,这样就 成为非接触地测量位移的传感器。 多种用途:如果控制其他参数不变,就可以用来检 测与表面电导率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有关的材料型号、表面硬 度等参数。 8 电磁炉内部的励磁线圈 9 电磁炉的工作原理 高频电 流通过励磁 线圈,产生 交变磁场, 在铁质锅底 会产生无数 的电涡流, 使锅底自行 发热,烧开 锅 内 的 食 物。 10 三、涡流的分布和强度三、涡流的分布和强度 涡流的分布:涡流的分布: ØØ 因为金属存在集肤效应,电涡流只存在于金因为金属存在集肤效应,电涡流只存在于金 属导体的表面薄层内属导体的表面薄层内, ,存在一个涡流区,实际存在一个涡流区,实际 上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡 流密度不同,存在径向分布和轴向分布。流密度不同,存在径向分布和轴向分布。 11 ØØ 径向分布:径向分布: 涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系,涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系, 线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径确定后涡流范围也就确定了。 • • 线圈外径处,线圈外径处,r = r = r ros os 金属涡流密度最大; 金属涡流密度最大; • • 线圈中心处,线圈中心处,r = 0 r = 0 涡流密度为零涡流密度为零(j=0)(j=0);; • • r ros时电涡流很弱了,测大位移时线圈直径2ros要大 X/ros I2/I1 1.0 1 2 3 4 14 四、 电涡流传感器结构及特性 电涡流探头外形 交变磁场 15 电涡流探头内部结构 1—电涡流线圈 2—探头壳体 3—壳体上的位置调节螺纹 4—印制线路板 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 16 大直径电涡流探雷器 17 五、 测量转换电路 1、调幅式(AM)电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz) 用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流,引 起电涡流线圈端电压的衰减,再经高放、检波、低放电路,最 终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响(例如 两者之间的距离等参数)。 18 二、调频(FM)式电路(100kHz~1MHz) 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,此频率可直接用计算机测量。如果要用模 拟仪表进行显示或记录时,必须使用鉴频器,将f转 换为电压Uo 。 19 鉴频器特性 使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo 鉴频器的输出电压与输入频率成正比 20 六、 电涡流传感器的应用 1、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后,在电涡流探头的有效面(感应工 作面)将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时,金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量,使振荡器的输出幅度线性地衰减,根据衰减量的 变化,可以计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量,工作时不受灰尘等 非金属因素的影响,寿命较长,可在各种恶劣条件下 使用。 21 位移测量仪 位移测量包含: 偏心、间隙、位 置、倾斜、弯曲、变 形、移动、圆度、宽 度等等。来自不同应 用领域的许多量都可 归结为位移或间隙变 化。 数显位移测量仪及探头 22 4~20mA电涡流位移传感器外形 (参考德国图尔克公司资料) 23 电涡流位移传感器的应用 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响,例如金 属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面 因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传 感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应 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,也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补 补偿等措施。 24 偏心和振动检测 25 通过测量间隙来测量径向跳动 26 测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动 测量,须使用多个传感器。 27 测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度 28 测量尺寸、公差 及零件识别\ 动画\dh22.gif 通过测量间隙来测定 热膨胀引起的上下平移 29 测量封口机工作间隙 间隙越大, 电涡流越小 30 测量注塑机开合模的间隙 间距 31 2、振动测量 用电涡 流探头、 调幅法测 量简谐振 动时,探 头的输出 波形。 32 调频法测量振动的波形 33 振动测量 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的 振幅及频率 34 3、转速测量 若转轴上开z 个槽(或齿),频率计的读数 为f(单位为Hz),则转轴的转速n(单位为 r/min)的计算公式为 35 各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置 36 电动机转速测量 37 4、厚度测量 • • 低频透射式涡流低频透射式涡流厚度传感器厚度传感器 38 • • 高频反射式涡流厚度传感器,可减小因为振动引起的干扰高频反射式涡流厚度传感器,可减小因为振动引起的干扰 厚度不变时厚度不变时 X1+X2 =X1+X2 = 常数,输出电压常数,输出电压 = 2U = 2U 厚度变化厚度变化△△σ σ时,输出电压时,输出电压 = 2U+= 2U+△△U U 给定厚度给定厚度σ σ与变化值与变化值△△σ σ的代数和就是被测带材厚度。的代数和就是被测带材厚度。 •电涡流金属板、带材厚 度测量 39 镀层厚度测量 由于存在集肤效应,镀层或箔层越薄,电涡流越 小。测量前,可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层 和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线,以便测量 时对照。 40 电涡流涂层厚度仪 41 电涡流涂层 厚度仪原理 42 测量金属镀层或绝缘层厚度 43 5、电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线 圈和接收线圈。当有金属物体通 过时,交变磁场就会在该金属导 体表面产生电涡流,会在接收线 圈中感应出电压,计算机根据感 应电压的大小、相位来判定金属 物体的大小。在安检门的侧面还 安装一台“软x光”扫描仪,它对 人体、胶卷无害,用软件处理的 方法,可合成完整的光学图像。 44 安检门演示 当有金属物体穿 越安检门时报警 45 • 电涡流探伤 金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量 探伤 由于集肤效应导体表面电涡流密度最大, 表面信息量最大,可用电涡流传感器测量金 属表面缺陷,存在缺陷时引起金属ρ、μ的变 化。 探伤时传感器与被测金属保持距离 不变,如果有裂纹导体电阻率会发生变化, 涡流损耗的改变引起输出电压的变化。\动画 \dh23.gif 6、电涡流表面探伤 46 手持式裂纹测量仪 油管探伤 47 滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机 是由计算机控制的轴 承滚子表面微裂纹探 伤的专用设备,可探 出深 30μm的表面微小 裂纹。 (参考无锡锡市通达滚滚子 有限公司资料) 48 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) 49 掌上型 电涡流 探伤仪 50 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 51
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