电涡流传感器

第四章第四章 电涡流传感器电涡流传感器本章介绍本章介绍电涡流效应电涡流效应、趋肤效应、趋肤效应、电涡流电涡流传传感器的原理感器的原理、电涡流探头结构、特性电涡流探头结构、特性、调幅、调幅、调频转换电路调频转换电路，电涡流线性位移传感器、电涡流线性位移传感器、安安检门、裂纹检测检门、裂纹检测等的应用，介绍等的应用，介绍接近开关接近开关的的概念、分类、特性、结构、工作原理、特性概念、分类、特性、结构、工作原理、特性参数及其应用。参数及其应用。5/2/202414.1 4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理4.2 4.2 电涡流传感器的结构及特性电涡流传感器的结构及特性4.3 4.3 电涡流传感器的测量转换电路电涡流传感器的测量转换电路4.4 4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用4.5 4.5 接近开关及应用接近开关及应用第四章第四章 电涡流传感器电涡流传感器 目录目录进入进入进入进入进入5/2/20242第一节第一节 电涡流传感器工作原理电涡流传感器工作原理 电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的圈与金属板的距离距离x 减小时，减小时，电涡流线圈的电涡流线圈的等效电感等效电感L 减小，减小，等效电阻等效电阻R 增增大大，Q值降低，值降低，流过电涡流线流过电涡流线圈的圈的电流电流 i1 增增大大。5/2/20243交变励磁引起铁心的交变励磁引起铁心的涡流损耗涡流损耗 Pe 减小变压器铁损耗的方法：减小变压器铁损耗的方法：（1）使用软磁材料减小）使用软磁材料减小Ph；（2）增大铁心的电阻率，）增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗；（3）用很薄的互相绝缘的硅钢）用很薄的互相绝缘的硅钢片（片（0.1mm）叠成铁心，每一片）叠成铁心，每一片硅钢片内部的电涡流需要走较长硅钢片内部的电涡流需要走较长的扁形路线，减小了电涡流损耗的扁形路线，减小了电涡流损耗。电涡流大电涡流大电涡流小电涡流小5/2/20244电工钢（硅钢、矽钢）电工钢（硅钢、矽钢）具有较大的电阻率和磁通具有较大的电阻率和磁通密度密度，较小的纠顽力、电导率、剩磁和较小的纠顽力、电导率、剩磁和铁芯损耗铁芯损耗，减小了变压器的损耗，提高了效率。了变压器的损耗，提高了效率。5/2/20245软磁铁氧体具有较大的电阻率，所以电涡流损软磁铁氧体具有较大的电阻率，所以电涡流损耗较小耗较小。与硅钢比较，。与硅钢比较，在中频时还能有较高的磁在中频时还能有较高的磁导率导率。但是单位体积中储存的磁能较低，饱合磁。但是单位体积中储存的磁能较低，饱合磁化强度也较低（只有纯铁的化强度也较低（只有纯铁的1/51/5），因而不适合），因而不适合用于低频领域，而用于低频领域，而广泛应用于在广泛应用于在1MHz1MHz以下的逆变以下的逆变电源中电源中。5/2/20246电涡流在日常生活中的应用电涡流在日常生活中的应用电磁炉电磁炉 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉5/2/20247铁磁材料制作的锅具底部既有较大的磁滞损铁磁材料制作的锅具底部既有较大的磁滞损耗耗,又能产生较大的电涡流又能产生较大的电涡流,才能产生较大的热量才能产生较大的热量锅具与励磁线圈的距离增大时，电涡流减小，锅具与励磁线圈的距离增大时，电涡流减小，产生报警信号，停止励磁。产生报警信号，停止励磁。5/2/20248电磁炉工作原理框图电磁炉工作原理框图5/2/20249电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈5/2/202410电涡流在工业中的应用电涡流在工业中的应用中频炉中频炉 将工频将工频50HZ交流电转变为直流电，再逆变交流电转变为直流电，再逆变为中频（为中频（300HZ以上至以上至1000HZ）电压，接到）电压，接到中频炉的中频绕组两端，在绕组中产生高密度中频炉的中频绕组两端，在绕组中产生高密度的交变磁力线，耐高温容器里盛放的金属原料的交变磁力线，耐高温容器里盛放的金属原料内部产生很大的电涡流，使金属的温度升高，内部产生很大的电涡流，使金属的温度升高，甚至融化。中频炉广甚至融化。中频炉广泛用于有色金属的泛用于有色金属的熔炼、熔炼、淬火淬火或锻压。或锻压。中频中频功率源功率源5/2/202411趋肤效应（集肤效应）趋肤效应（集肤效应）交变磁场的交变磁场的频率频率f 越高越高，电涡流的渗透，电涡流的渗透深度深度就越浅就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检测深度。来控制非电量的检测深度。当当100kHz2MHz2MHz信号源产生的交变电压施加信号源产生的交变电压施加到电感线圈到电感线圈L1上时，就产生一次电流上时，就产生一次电流i1 ，在线圈在线圈周围产生交变磁场周围产生交变磁场。如果。如果将线圈将线圈靠近一块金属靠近一块金属导体，金属导体，金属导体表面就产生电涡流导体表面就产生电涡流i2。i2在金属在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的导体的纵深方向并不是均匀分布的，而，而只集中在只集中在金属导体的表面金属导体的表面，这称为趋肤效应。，这称为趋肤效应。5/2/202412圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图a）直流电流时的均匀分布直流电流时的均匀分布 b）中频电流时中心部位电密度减小中频电流时中心部位电密度减小 c）高频电流时，电流线趋向表面分布高频电流时，电流线趋向表面分布5/2/202413二、电涡流线圈等效阻抗分析二、电涡流线圈等效阻抗分析 .设设电电涡涡流流线线圈圈在在高高频频时时的的等等效效电电阻阻为为R1（大大于于直直流流电电阻阻），电电感感为为L1。当当有有被被测测导导体体靠靠近近电电涡涡流流线线圈圈时时，则则被被测测导导体体等等效效为为一一个个短短路路环环，电电涡涡流流线线圈圈L1与与导导体体之之间间存存在在一一个个互互感感M。互互感感随线圈与导体之间距离的减小而增大。随线圈与导体之间距离的减小而增大。5/2/202414影响电涡流线圈等效阻抗的因数影响电涡流线圈等效阻抗的因数如果控制上式中的如果控制上式中的f、r不变，电涡流线圈的不变，电涡流线圈的阻阻抗抗Z 就成为线圈与被测金属体的就成为线圈与被测金属体的间距间距的单值函数的单值函数，属属于非接触式测量于非接触式测量。电电涡涡流流线线圈圈受受电电涡涡流流影影响响时时的的等等效效阻阻抗抗Z由由两两部部分分构构成，即成，即等效电感等效电感L和和等效电阻等效电阻R串联而成：串联而成：Z=R+jL=f(f、r、)上上式式中中的的、为为金金属属导导体体的的磁磁导导率率和和电电导导率率，r为为表表面因子，包括粗超度、沟痕、裂纹等面因子，包括粗超度、沟痕、裂纹等。当当被测物与电涡流线圈的间距被测物与电涡流线圈的间距减小减小时，电涡流线圈时，电涡流线圈与被测金属的与被测金属的互感量互感量M增大增大，等效电感等效电感L减小，减小，Q值降值降低，低，等效电阻等效电阻R增大。增大。由于线圈的感抗由于线圈的感抗XL的减小比的减小比R的的增大大得多，故此时流过电涡流线圈的电流增大大得多，故此时流过电涡流线圈的电流i1增大增大。5/2/202415电涡流线圈的等效阻抗电涡流线圈的等效阻抗式中式中 R、L电涡流线圈靠近被测导体时的等效电电涡流线圈靠近被测导体时的等效电阻和等效电感。阻和等效电感。当被测物与电涡流线圈的间距当被测物与电涡流线圈的间距减小时，电涡流线圈减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量与被测金属的互感量M增大，增大，等效电感等效电感L减小，减小，等效电等效电阻阻R增大，增大，品质因数品质因数Q值降低：值降低：Q=L/RL/R等效电阻上消耗的有功功率等效电阻上消耗的有功功率P P 增大：增大：P=I 2R5/2/202416电涡流线圈在不同情况下的品质因数电涡流线圈在不同情况下的品质因数Q值越大，曲线越尖锐值越大，曲线越尖锐，后级检测电路得到的，后级检测电路得到的电压就越高。电压就越高。Q初始初始5/2/202417电涡流用于其他非电量的测量电涡流用于其他非电量的测量 检测深度的控制：电涡流线圈的检测深度的控制：电涡流线圈的激励频率一般激励频率一般设定在设定在100kHz1MHz。频率越低频率越低，有效测量距，有效测量距离越大，能够离越大，能够检测被测金属体内部参数的深度检测被测金属体内部参数的深度也越深。也越深。如如果果控控制制间间距距不不变变，就就可可以以用用来来检检测测与与表表面面电电导导率率有有关关的的表表面面温温度度、表表面面裂裂纹纹等等参参数数，或或者者用用来来检检测测与与材材料料磁磁导导率率有有关关的的磁磁性性特特性性、表面硬度表面硬度等参数。等参数。表面表面温度升高，电导率温度升高，电导率 降低；降低；表面有裂纹时表面有裂纹时，电涡流减小。，电涡流减小。5/2/202418第二节第二节 电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形及外形及调理电路前置器调理电路前置器交变磁场交变磁场回目录回目录5/2/202419电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1-电涡流线圈电涡流线圈 2-探头壳体探头壳体 3-壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示电源指示 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 5/2/202420YD9800系列系列电涡流位移传感器特性电涡流位移传感器特性 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？线圈线圈直径直径/mm壳体壳体螺纹螺纹/mm线性线性范围范围/mm最佳安装最佳安装距离距离/mm最小最小被测面被测面/mm 分辨力分辨力/m5M8110.515111M141.54235425M161.58470850M3022512100105/2/202421电涡流线圈的直径越大，探测范围就越电涡流线圈的直径越大，探测范围就越大大电涡流探雷器电涡流探雷器 5/2/202422第三节第三节 电涡流传感器的电涡流传感器的测量转换电路测量转换电路 一种为调幅（一种为调幅（AM）式电路）式电路，另一种为调频电路（另一种为调频电路（PM）。）。AM：用低频信号去调制高频载波的振幅，使其：用低频信号去调制高频载波的振幅，使其振幅振幅按低频调制信号的规律而变化按低频调制信号的规律而变化。PM：用低频信号去调制高频载波的频率，使其：用低频信号去调制高频载波的频率，使其频率频率按低频调制信号的规律而变化按低频调制信号的规律而变化。其幅度虽然也有变化，。其幅度虽然也有变化，必须经过双向限幅器，才能变必须经过双向限幅器，才能变为等幅波，后级电路可以用为等幅波，后级电路可以用“鉴频器鉴频器”来鉴别载波的频率变来鉴别载波的频率变化，重新得到所包含的低频信化，重新得到所包含的低频信号。也可以接到单片机的计数号。也可以接到单片机的计数端，由单片机计算出被测量。端，由单片机计算出被测量。回目录回目录5/2/202423一、调幅（一、调幅（AMAM）式电路）式电路石英振荡器产生石英振荡器产生稳频、稳幅稳频、稳幅高频振荡电压高频振荡电压（100kHz2MHz）用于激励电涡流线圈。金属）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈两端电压的衰减，两端电压的衰减，输出电压输出电压Uo反映了金属体与电反映了金属体与电涡流线圈的间距涡流线圈的间距。5/2/202424部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数人的人的手、泥土或装满水的玻璃杯手、泥土或装满水的玻璃杯能对能对振荡器振荡器的振幅产生明显的衰减吗？的振幅产生明显的衰减吗？5/2/202425定频调幅式电路的幅频曲线定频调幅式电路的幅频曲线4根曲线与根曲线与f0的交点决定调幅电路的输出电压的交点决定调幅电路的输出电压0探头与被测物间距很远时探头与被测物间距很远时 1非磁性金属、间距较大时非磁性金属、间距较大时2非磁性金属、间距较小时（非磁性金属、间距较小时（Q值降低）值降低）3磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）值大幅降低）5/2/202426二、调频（二、调频（FM）式电路）式电路当电涡流线圈与被测体的当电涡流线圈与被测体的距离距离x 变小时变小时，电涡流线圈，电涡流线圈的电感的电感量量L 也随之变小（非铁质），也随之变小（非铁质），同时引起同时引起LC 振荡振荡器的输出电压及器的输出电压及频率变高频率变高。如果希望用模拟仪表进行显。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用示或记录时，使用“鉴频器鉴频器”，可以将，可以将 f 转换为电压转换为电压 Uo 。5/2/202427并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的初始电感量设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调微调电容电容C 0=200pF，（1pF10-12F）求：探头中的振荡器的求：探头中的振荡器的初始频率初始频率f 0。（一般将振荡器的频率控制在（一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹几百千赫兹）解：解：5/2/202428鉴频器特性曲线鉴频器特性曲线 设鉴频器电路的初始频率设鉴频器电路的初始频率f0=1MHz，该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝质金属板靠近时，输出电压如何变化？质金属板靠近时，输出电压如何变化？5/2/202429第四节第四节 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 一、位移测量一、位移测量 电涡流位移传感器的输出为电涡流位移传感器的输出为模拟量，例如：模拟量，例如：05V。当金属物体接近探头的感应面时，金属。当金属物体接近探头的感应面时，金属表面吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振表面吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的荡器的输出幅度衰减或频率变化输出幅度衰减或频率变化，单片机根据，单片机根据Uo或或f，可以计算出与被检测物体的距离、振，可以计算出与被检测物体的距离、振动频率等参数。电涡流位移传感器属于动频率等参数。电涡流位移传感器属于非接触非接触测量测量器件，工作时不受灰尘、油污等因素的影器件，工作时不受灰尘、油污等因素的影响。响。回目录回目录5/2/202430位移传感器的分类位移传感器的分类5/2/202431位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、位置、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度偏心率、冲程、宽度等。等。数显数显位移测量仪位移测量仪 探头探头5/2/202432电涡流位移传感器用于轴向位移的监测电涡流位移传感器用于轴向位移的监测 1旋转设备（汽轮机）旋转设备（汽轮机）2主轴主轴 3联轴器联轴器 4电涡流探头电涡流探头 5夹紧螺母夹紧螺母 6发电机发电机 7基座基座5/2/202433位移的标定方法位移的标定方法使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而，从而达到达到线性化和曲线拟合线性化和曲线拟合的目的。的目的。5/2/202434电涡流位移传感器的静态位移标定设备电涡流位移传感器的静态位移标定设备 1 1探头夹具探头夹具 2 2电涡流探头电涡流探头 3 3标准圆片状试件标准圆片状试件 4 4千分尺测杆千分尺测杆 5 5千分尺套筒千分尺套筒 6 6套筒定螺钉套筒定螺钉 7 7千分尺千分尺 8 8底座底座 9 9水平调节垫脚水平调节垫脚5/2/202435电涡流位移传感器的标定电涡流位移传感器的标定 在标定区域里，共在标定区域里，共设置多个测量点设置多个测量点。首先调节千分首先调节千分尺的读数为尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，。旋松探头夹具的调节螺母，使使探头与试件刚好接触探头与试件刚好接触，计算机测得探头绝对零位的输计算机测得探头绝对零位的输出电压出电压。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，每每隔设定的位移（例如隔设定的位移（例如0.8mm），测量电涡流传感器的），测量电涡流传感器的输出电压输出电压。5/2/202436电涡流位移传感器的标定过程示意图电涡流位移传感器的标定过程示意图 1正程数据（黑点正程数据（黑点）2正程折线（细实线）正程折线（细实线）3回程数据（空心圆圈回程数据（空心圆圈）4回程折线（虚线）回程折线（虚线）5计算机拟合曲线（粗实线）计算机拟合曲线（粗实线）5/2/202437420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形5/2/202438齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外形传感器外形 齐平式传感器安装时可以不高出安装齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。面，不易被损害。5/2/202439V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器外形传感器外形齐平式齐平式5/2/202440V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器性能一览表传感器性能一览表5/2/202441电涡流位移传感器的应用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，例电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等导率、表面因素、距离等，因此电涡流传感器，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响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测定性测量量。在用作定量测量时，必须采用在用作定量测量时，必须采用逐点标定、逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿计算机线性纠正、温度补偿等措施。等措施。5/2/202442偏心和振动检测偏心和振动检测电涡流探头电涡流探头5/2/202443通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动电涡流探头电涡流探头5/2/202444测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个电涡流传感器，但工作频率必须错开。电涡流传感器，但工作频率必须错开。交变磁场交变磁场5/2/202445测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度导向辊导向辊5/2/202446测量尺寸、公差测量尺寸、公差及零件识别及零件识别 通过测量间隙来通过测量间隙来测定测定 热膨胀引起的上下平移热膨胀引起的上下平移5/2/202447测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，电涡流越小电涡流越小电涡流探头电涡流探头5/2/202448测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙间距间距5/2/202449电涡流位移传感器的距离电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线与输出电压特性曲线1 1、2 2、3 3 的量程和线性范围各为多少的量程和线性范围各为多少mmmm？5/2/202450二、振动测量二、振动测量检波后，检波后，得到正半周得到正半周，低通滤波器滤除载波后，得到，低通滤波器滤除载波后，得到被测振动的各项参数：振幅、周期、频率、失真等。被测振动的各项参数：振幅、周期、频率、失真等。用电涡流用电涡流调幅法测量调幅法测量简谐振动时，简谐振动时，输出为典型输出为典型的的调幅波形调幅波形检波二极管仅让正半周信号通过检波二极管仅让正半周信号通过5/2/202451振动测量振动测量a）径向振动测量）径向振动测量 b）长轴多线圈测量）长轴多线圈测量 c）叶片振动测量）叶片振动测量1电涡流线圈电涡流线圈 2被测物被测物5/2/202452调频法测量振动的波形调频法测量振动的波形5/2/202453振动测量振动测量汽轮机叶片参数的检测汽轮机叶片参数的检测 测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率5/2/202454叶片共振法振动测量波形叶片共振法振动测量波形5/2/202455汽轮机叶片的激振测量示意图汽轮机叶片的激振测量示意图可以用可以用激振小锤激振小锤敲击叶片根部，利用李萨如（李沙敲击叶片根部，利用李萨如（李沙茹）图形法测量汽轮机叶片的共振频率。而现在更多茹）图形法测量汽轮机叶片的共振频率。而现在更多地利用计算机直接计算出振动信号的多项参数。地利用计算机直接计算出振动信号的多项参数。5/2/202456李萨如（李萨如（Jules Antoine LissajousJules Antoine Lissajous）图形）图形振动传感器的输出接到示波器的振动传感器的输出接到示波器的Y轴上，信号发生器轴上，信号发生器的输出接到示波器的的输出接到示波器的X轴上，示波器的光点的运动轨迹轴上，示波器的光点的运动轨迹就是李萨如图形。如果两个信号的频率相同，光点的就是李萨如图形。如果两个信号的频率相同，光点的轨迹为一个椭圆。整数倍比例时轨迹为一个椭圆。整数倍比例时,光点的轨迹见光点的轨迹见2:1、3:1、3:2等图形等图形,李萨如图形与两个信号的相位差有关。李萨如图形与两个信号的相位差有关。5/2/2024572:12:1和和4:34:3及及8:58:5时李萨如图形的动画演示时李萨如图形的动画演示5/2/202458振幅、周期、频率的计算振幅、周期、频率的计算 n叶片叶片振动的周期振动的周期T 为多少为多少ms，频率频率f 为多少为多少Hz？n叶片叶片振动的幅度振动的幅度A为多少为多少mm？A5/2/202459三、转速测量三、转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数，频率计的读数为为f（单位为单位为Hz），），则转轴的转速则转轴的转速n（单位为单位为r/min）的计算公式为的计算公式为 10T5/2/202460转速传感器与齿轮的相对位置转速传感器与齿轮的相对位置5/2/202461齿轮转速测量的计算齿轮转速测量的计算 例例：设齿设齿数数z z=48，测得频率测得频率 f=120Hz，求：该，求：该齿轮的转速齿轮的转速n。解：解：n=60f/z=6012048=720048 =150r/min1电涡流线圈电涡流线圈 2被测物被测物5/2/202462电动机电动机转速测量转速测量5/2/202463四、镀层厚度测量四、镀层厚度测量 由于存在由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层。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和铜箔作出“厚度厚度-输出输出”电压的标定曲线电压的标定曲线，以便测，以便测量时对照。量时对照。5/2/202464镀层厚度测量示意图镀层厚度测量示意图 1电涡流测厚仪电涡流测厚仪 2金属镀层金属镀层 3塑料工件塑料工件5/2/202465电涡流涂层电涡流涂层厚度测量仪厚度测量仪原理原理塑料表面的塑料表面的金属镀层越金属镀层越厚，电涡流厚，电涡流就越大。就越大。5/2/202466测量绝缘层厚度测量绝缘层厚度测量绝缘层厚度与测测量绝缘层厚度与测量金属镀层的原理是相反量金属镀层的原理是相反的。的。绝缘层越厚，探头与绝缘层越厚，探头与金属板之间的距离就越大金属板之间的距离就越大，电涡流就越小电涡流就越小。5/2/202467五、电涡流式通道五、电涡流式通道安全检查门安全检查门 安检门的内部设置有安检门的内部设置有发射发射线圈和接收线圈线圈和接收线圈。当有金属。当有金属物体通过时，交变磁场就会物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据电压，计算机根据感应电压感应电压的大小、相位的大小、相位来判定金属物来判定金属物体的大小。如果采用体的大小。如果采用1 16 6区区线圈检测技术线圈检测技术，可以显示，可以显示报报警的部位警的部位。金属金属报警报警5/2/202468电涡流式通道金属安全检查门原理电涡流式通道金属安全检查门原理 由由1个大线圈、个大线圈、6个小线圈、补偿线圈等组成个小线圈、补偿线圈等组成。L11、L12与与L21、L22相互垂直，成相互垂直，成电气正交状态电气正交状态，无磁路交链，无磁路交链,o=0。在有金属物体通过。在有金属物体通过L11、L12形成的交变磁场形成的交变磁场H1时，时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流。电涡流也。电涡流也将产生一个新的微弱磁场将产生一个新的微弱磁场H2。H2的相位与金属体位置、的相位与金属体位置、大小等有关，但与大小等有关，但与L21、L22不再正交，因此不再正交，因此可以在可以在L21、L22中感应出电压中感应出电压。H25/2/202469安检门灵敏度的设定安检门灵敏度的设定根据人体基本结构，根据人体基本结构，将安检门将安检门划分为划分为6个探测区域个探测区域，可，可进行进行100级灵敏度的调整级灵敏度的调整，根据实际应用，根据实际应用状况，预先设定灵敏度的级别。状况，预先设定灵敏度的级别。最高灵敏度可探测到一枚回形针最高灵敏度可探测到一枚回形针大小的金属，但大小的金属，但又可排除又可排除皮带扣、皮带扣、钥匙、首饰、硬币等物品。钥匙、首饰、硬币等物品。5/2/20247030300GHz毫米波安测门与低剂量毫米波安测门与低剂量X光扫光扫描安检门的区别描安检门的区别毫米波电视摄像机毫米波电视摄像机是一种是一种被动摄像机被动摄像机，不会对人体和被检物品造成损害不会对人体和被检物品造成损害。可以对附着在受检人身体上的有机物及无机物进行可以对附着在受检人身体上的有机物及无机物进行准确检测。可以准确检测。可以避免安检人员进行手检避免安检人员进行手检时徒手探摸给时徒手探摸给受检人员造成的不舒适感。受检人员造成的不舒适感。超低剂量超低剂量X光安检光安检门门3分钟停留，相当于分钟停留，相当于4分钟高空飞行分钟高空飞行。能分能分辨辨0.1mm铜丝铜丝。5/2/202471电涡流表面探伤电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管油管探伤探伤5/2/202472轴承滚子涡流探伤机轴承滚子涡流探伤机轴承滚子涡流探轴承滚子涡流探伤机是由计算机控伤机是由计算机控制的轴承滚子表面制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用微裂纹探伤的专用设备，可探出深设备，可探出深 30m的表面微小裂的表面微小裂纹。纹。5/2/202473手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形5/2/202474掌上型掌上型电涡流电涡流探伤仪探伤仪5/2/202475用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹5/2/202476台式电涡流探伤仪台式电涡流探伤仪5/2/202477花瓣阻抗图花瓣阻抗图5/2/202478第五节第五节 接近开关及应用接近开关及应用接近开关又称接近开关又称无触点行程开关无触点行程开关。它能在一。它能在一定的距离（定的距离（几毫米至几十毫米几毫米至几十毫米）内检测有无）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出就可以发出“动作动作”信号。信号。接近开关的核心部分是接近开关的核心部分是“感辨头感辨头”，也称，也称探头，它对正在接近的物体有很高的感辨能探头，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。力。回目录回目录5/2/202479接近开关外形接近开关外形 5/2/202480接近开关外形（续）接近开关外形（续）5/2/202481接近开关外形（续）接近开关外形（续）5/2/202482常用的接近开关分类常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式（也称常用的接近开关有电涡流式（也称电感接近电感接近开关开关）、电容式、）、电容式、超声波式、霍尔式、光、超声波式、霍尔式、光电式、磁性干簧开关、微波式等。电式、磁性干簧开关、微波式等。多数三线制接近开关的多数三线制接近开关的棕色为电源棕色为电源,蓝色为蓝色为电源地电源地,黑色为信号线黑色为信号线。5/2/202483常见接近开关的型号说明常见接近开关的型号说明5/2/202484接近开关与机械行程开关的比较接近开关与机械行程开关的比较 1）非接触检测非接触检测，不影响被测物的运行工况不影响被测物的运行工况。2）定位准确度高。）定位准确度高。3）不产生机械磨损和疲劳损伤不产生机械磨损和疲劳损伤，耐腐蚀，动作频率，耐腐蚀，动作频率高，工作寿命长。高，工作寿命长。4）响应快，约几毫秒至十几毫秒响应快，约几毫秒至十几毫秒。5）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。靠性强。6）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求防爆防爆的的场合（防爆型）。场合（防爆型）。7）易于与计算机或）易于与计算机或PLC等接口。等接口。8）体积小，安装、调整方便）体积小，安装、调整方便9）缺点是缺点是“触点触点”容量较小，输出短路时易烧毁。容量较小，输出短路时易烧毁。5/2/202485接近开关的主要性能指标接近开关的主要性能指标 额定动作距额定动作距离离、复位距离、复位距离、工作距离、工作距离、动作动作滞差滞差、重复定位、重复定位精度（重复性）、精度（重复性）、动作频率动作频率等。等。5/2/202486接近开关的主要性能指标接近开关的主要性能指标 （1）动作距离：当被测物由正面靠近接近开关的感）动作距离：当被测物由正面靠近接近开关的感应面时，应面时，使接近开关动作（输出状态变为有效状态）的使接近开关动作（输出状态变为有效状态）的距离距离min（mm）。（2）复位距离：当被测物由正面）复位距离：当被测物由正面离开接近开关的感离开接近开关的感应面，接近开关转为复位时，被测物离开感应面的距离应面，接近开关转为复位时，被测物离开感应面的距离max。（3）动作滞差）动作滞差 ：复位距离与动作距离之差复位距离与动作距离之差。动作滞。动作滞差越大，对抗被测物抖动等造成的机械振动干扰的能力差越大，对抗被测物抖动等造成的机械振动干扰的能力就强，但动作准确度就越差。就强，但动作准确度就越差。5/2/202487接近开关的主要性能指标（续）接近开关的主要性能指标（续）（4）额定工作距离：额定工作距离指）额定工作距离：额定工作距离指接近开接近开关在实际使用中被设定的安装距离关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离内，。在此距离内，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰而产生误动作。而产生误动作。额定工作距离应小于动作距离额定工作距离应小于动作距离，但是若设置得太小，有可能无法复位。实际应用但是若设置得太小，有可能无法复位。实际应用中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，较为中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，较为可可靠的额定工作距离约为动作距离的靠的额定工作距离约为动作距离的75%。5/2/202488接近开关的主要性能指标（续）接近开关的主要性能指标（续）（5）重重复复定定位位准准确确度度(重重复复性性)：表表征征多多次次测测量量的的最最大大动动作作距距离离平平均均值值。其其数数值值的的离离散散性性的的大大小小一一般般为为最最大大动动作作距距离离的的1%5%。离离散散性性越越小小，重重复复定定位位准准确确度度越越高。高。（6）动作频率：）动作频率：每秒连续不断地进入接近开关的动每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物个数或次数称为动作频率作距离后又离开的被测物个数或次数称为动作频率。若。若接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时，接接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时，接近开关就来不及响应物体的运动状态，近开关就来不及响应物体的运动状态，有可能造成漏检有可能造成漏检。5/2/202489电涡流接近开关的电涡流接近开关的工作原理工作原理电涡流接近开关由电涡流接近开关由LCLC高频振荡器和放大调理等高频振荡器和放大调理等电路组成电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生涡，金属物体在接近辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振振荡频率或振荡幅度发生变化荡频率或振荡幅度发生变化，由，由内部电路处理后，内部电路处理后，输出对应的开关量输出对应的开关量，由此识别出有无金属物体接，由此识别出有无金属物体接近，进而近，进而控制外电路的通或断控制外电路的通或断。电涡流接近开关。电涡流接近开关所能检测的物体必须是所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体导电性能良好的金属物体。5/2/202490调幅式电涡流接近开关原理框图调幅式电涡流接近开关原理框图调幅式检测电路：调幅式检测电路：以输出高频信号的幅度来反以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。当被测金属与接近开关探头的距离小于设定值当被测金属与接近开关探头的距离小于设定值时，时，振荡电路停振振荡电路停振。5/2/202491四线制接近开关的接线说明四线制接近开关的接线说明有的位移传感器同时具备两种动输出状态，可有的位移传感器同时具备两种动输出状态，可选择选择从高电压向低电压转变从高电压向低电压转变、和、和从低电压向高电从低电压向高电压转变压转变两种方式，分别称为两种方式，分别称为NPNNPN和和PNPPNP输出模式，输出模式，俗称为俗称为常开输出常开输出或或常闭输出常闭输出模式。模式。5/2/202492接近开关的术语解释接近开关的术语解释标准检测体标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，钢，厚度为厚度为1mm，所采用的所采用的边长是接近开关检测面直边长是接近开关检测面直径的径的2.5倍倍。感辩头的直径应当小于被测体直径的感辩头的直径应当小于被测体直径的1/45/2/202493不同材料的金属检测物对电涡流接近开不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响关动作距离的影响（以以FeFe为参考金属）为参考金属）对于非磁性材料，被测体的对于非磁性材料，被测体的电导率越高电导率越高，则，则灵敏度越高灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗磁滞损耗还将影还将影响电涡流响电涡流线圈的线圈的Q值值。磁滞损耗大时，其灵敏磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高度通常较高。5/2/202494接近开关的术语解释（续）接近开关的术语解释（续）接近开关的安装方式：接近开关的安装方式：齐平式（齐平式（又称埋入型又称埋入型）的接近开关表面可）的接近开关表面可与与被安装的金属物件形成同一表面被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，不易被碰坏，但但灵敏度较低灵敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把要把感应头露出一定高度感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。，否则将降低灵敏度。5/2/202495接近开关的安装方式接近开关的安装方式齐平式安装齐平式安装非齐平式安装非齐平式安装5/2/202496接近开关的术语解释（续）接近开关的术语解释（续）响应频率响应频率f：按规定，按规定，在在1秒的时间间隔内，秒的时间间隔内，接近开关能够响应的动作循环的最大次数接近开关能够响应的动作循环的最大次数，重，重复频率大于该值时，接近开关复频率大于该值时，接近开关无反应无反应。响应时间响应时间t：t=1/f。5/2/202497响应频率及响应时间示意图响应频率及响应时间示意图当被检测物体在当被检测物体在1s内内掠过的个数超过接近开掠过的个数超过接近开关的响应频率时关的响应频率时，接近开关，接近开关没有响应没有响应或或出错出错。5/2/202498接近开关的术语解释（续）接近开关的术语解释（续）输出状态：输出状态：常开常开/常闭常闭型接近开关型接近开关当无检测物体时，对常开型接近开关而言，当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出晶体管截止，所接的由于接近开关内部的输出晶体管截止，所接的负载不工作（失电）；负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部当检测到物体时，内部的输出级的输出级NPNNPN晶体管导通，负载得电工作晶体管导通，负载得电工作。对对常闭型接近开关常闭型接近开关而言，当而言，当未检测到物体时，未检测到物体时，输出级的输出级的PNPPNP晶体管与晶体管与V VCCCC导通状态，接地的负导通状态，接地的负载得电工作载得电工作；反之则负载失电。；反之则负载失电。5/2/202499接近开关的输出形式（续）接近开关的输出形式（续）NPN二线，二线，NPN三线三线，NPN四线，四线，PNP二线，二线，PNP三线，三线，PNP四线，四线，DC二线，二线，AC二线，二线，AC五线（带继电器）五线（带继电器）等几种。等几种。NPN三线制接近开关的接线三线制接近开关的接线5/2/2024100输出形式输出形式（14）负载负载负载负载蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝5/2/2024101输出形式输出形式（58）负载负载负载负载负载负载5/2/2024102 接近开关的电参数术语解释接近开关的电参数术语解释导通压降：接近开关在导通状态时，开导通压降：接近开关在导通状态时，开关内部的输出三极管集电极与发射极之间的关内部的输出三极管集电极与发射极之间的电压降。电压降。额定工作电流时，额定工作电流时，导通压降约为导通压降约为0.3V。5/2/2024103导通压降示意图导通压降示意图0.3V5/2/2024104三线制三线制NPN常开型常开型接近开关举例接近开关举例OUT端与端与GND端的压降端的压降Uces约为约为0.3V，流过，流过KA的电的电流流IKA=(VCC-0.3)/RKA。若。若IKA大于大于KA的额定吸合电流的额定吸合电流，则则KA能够可靠吸合。能够可靠吸合。a）三线制接近开关原理框图）三线制接近开关原理框图 b）NPN、OC门常开输出电门常开输出电路路 c）NPN型接近开关的特性型接近开关的特性5/2/2024105例：求例：求NPN常开型常开型接近开关的最大负载接近开关的最大负载设某一接近开关的设某一接近开关的最大阻性输出电流最大阻性输出电流IKA=300mA，工，工作电压作电压VCC=24V，求求:最小负载电阻（最大负载）最小负载电阻（最大负载）Rmin。解：解：Rmin=(VCC-0.3)/IKA=(24-0.3)V/0.3A=79。若负载若负载为感性，应大于此值的一倍为感性，应大于此值的一倍,工作电流减为工作电流减为50%以下以下,且且应在感性负载两端并联续流二极管，反向接法应在感性负载两端并联续流二极管，反向接法，见下图。，见下图。灌电流灌电流5/2/2024106没有续流时，感性负载在断开瞬间的过电压没有续流时，感性负载在断开瞬间的过电压5/2/2024107NPN常开型常开型接近开关的施密特特性接近开关的施密特特性 当当被被测测物物体体未未靠靠近近接接近近开开关关时时，UB=0，OC门门的的基基极极电电流流IB=0，OC门门截截止止，OUT端端为为高高阻阻态态（接接入入负负载载后后为为接接近近电电源源电电压压的的高高电电平平）；当当被被测测体体逐逐渐渐靠靠近近，到到达达动动作作距距离离min时时，OC门门的的输输出出端端对对地地导导通通，OUT端端对地为低电平（约对地为低电平（约0.3V）。）。当当被测物体被测物体逐渐远离逐渐远离接近开关接近开关,到达到达复位距离复位距离max时时,OC门再次门再次截止截止,KA失电失电。为接近为接近开关开关的的动作滞差动作滞差（也称为（也称为“回差回差”）。5/2/2024108NPN常开型常开型接近开关的施密特特性举例接近开关的施密特特性举例当当金金属属工工件件从从远远处处逐逐渐渐向向接接近近开开关关靠靠近近，到到达达min位位置置（5mm）时时，开开关关动动作作，输输出出低低电电平平。要要想想让让它它翻翻转转回回到到高高电电平平，则则需需要要让让工工件件倒倒退退的的距距离离，即即：大大于于max的的位位置置，7mm。大大大大超超过过抖抖动动造造成成的的倒倒退退量量，所所以以接接近近开开关关一一旦旦动动作作，微微小小的的干干扰扰是是无无法法让让其其复复位位的的。5/2/2024109NPN常开型常开型接近开关的施密特特性列表接近开关的施密特特性列表.距离距离/mm5.14.91.06.97.1电平状态电平状态高电平高电平高电平高电平低电平低电平低电平低电平低电平低电平高电平高电平高电平高电平5/2/2024110NPN常闭型常闭型接近开关的施密特特性接近开关的施密特特性当当金金属属工工件件从从远远处处逐逐渐渐向向接接近近开开关关靠靠近近，输输出出先先是是处处于于低低电电平平状状态态。到到达达min位位置置（2mm）时时，开开关关动动作作，输输出出高高电电平平。要要想想让让它它翻翻转转回回到到低低电电平平，则则需需要要让让工工件件倒倒退退到到max的的位位置置，3mm。=1mm。5/2/2024111NPN常闭型常闭型接近开关的施密特特性列表接近开关的施密特特性列表.距离距离/mm2.11.91.02.93.1电平状态电平状态低电平低电平低电平低电平高电平高电平高电平高电平高电平高电平低电平低电平低电平低电平5/2/2024112PNP常开型常开型接近开关的电路接近开关的电路 PNP型型接接近近开开关关称称为为电电流流流流出出型型开开关关，当当被被测测物物体体未未靠靠近近接接近近开开关关时时，PNP晶晶体体管管（OC门门）截截止止，OUT端端为为高高阻阻态态（悬悬空空），接接了了负负载载后后，与与地地线线等等电电位位，负载两端没有电压差负载两端没有电压差；当当被被测测物物体体逐逐渐渐靠靠近近，到到达达动动作作距距离离min时时，PNP型型晶晶体体管管导导通通，输输出出端端相相当当于于接接到到电电源源Vcc，OUT端端对对地地为高电平为高电平(约约Vcc-0.3V)。（。（晶体管也称三极管晶体管也称三极管）5/2/2024113PNP常开型常开型接近开关的接线接近开关的接线 PNP型型接接近近开开关关的的负负载载（KA）接接在在地地线线和和OUT端端之之间间。当当被被测测体体逐逐渐渐靠靠近近，到到达达动动作作距距离离min时时，PNP型型晶晶体体管管导导通通，输输出出端端相相当当于于接接到到电电源源Vcc，OUT端端对对地地为高电平为高电平(约约Vcc-0.3V)，继电器得电。，继电器得电。为为了了保保护护OC门门不不至至于于在在 断断电电的的瞬瞬间间，被被电电感感性性负负载载所所产产生生的的过过电电流流所所击击穿穿，必必须须在在电电感感性性负负载载两两端端并并联续流二极管。联续流二极管。5/2/2024114PNP常开型常开型接近开关的施密特特性接近开关的施密特特性 PNP是是电电流流流流出出型型开开关关，负负载载接接在在地地线线和和信信号号线线之之间间。当当被被测测物物体体未未靠靠近近接接近近开开关关时时，PNP晶晶体体管管截截止止，OUT端端为为高高阻阻态态，输输出出端端与与地地线线等等电电位位，负负载载不不得得电电；当当被被测测体体逐逐渐渐靠靠近近，到到达达动动作作距距离离min时时，PNP型型晶晶体体管管导导通通，输输出出端端相相当当于于接接到到电电源源Vcc，OUT端端对对地地为为高高电平电平(约约Vcc-0.3V)。当当被测物体被测物体逐渐远离逐渐远离接近开关接近开关，到达复位距离到达复位距离max时时，PNP晶体管再次晶体管再次截止截止，KA失失电。电。5/2/2024115PNP常开型常开型接近开关与接近开关与PLC的接线的接线如如果果外外部部开开关关量量输输入入触触点点的的公公共共端端接接到到了了电电源源的的正正端，这种情况就不能使用端，这种情况就不能使用NPN型接近开关型接近开关。5/2/2024116接近开关在加工中的应用接近开关在加工中的应用 5/2/2024117接近开关使用注意事项接近开关使用注意事项1.请勿将电感接近开关置于请勿将电感接近开关置于0.02T以上的磁场环境下使以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。用，以免造成误动作。2.多个接近开关同时使用时，相互距离应大于多个接近开关同时使用时，相互距离应大于2倍直倍直径径。3.为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检查接线是否正确，负载电流不能超过额定工作电流。核查接线是否正确，负载电流不能超过额定工作电流。核定工作电压是否为额定值。定工作电压是否为额定值。4.接近开关连接电感性负载时，务必接近开关连接电感性负载时，务必在感性负载两端在感性负载两端并接续流二极管并接续流二极管，以免损坏接近开关的输出级。，以免损坏接近开关的输出级。5.如果误将如果误将PNP接近开关按接近开关按NPN接近开关接线，接近接近开关接线，接近开关尾部的开关尾部的“动作指示灯动作指示灯”不会亮。不会亮。5/2/2024118请按请按NPNNPN常常开型接近开型接近开关的开关的接接线图，将线图，将各元件正各元件正确地连接确地连接起来。起来。5/2/2024119请按请按NPNNPN常常开型接近开型接近开关的开关的接接线图，将线图，将各元件正各元件正确地连接确地连接起来。起来。接线完成接线完成开始接线开始接线5/2/2024120休息一下休息一下回目录回目录5/2/2024121