第五章--电涡流式传感器

第五章 电涡流式传感器在电路中，我们学过：当导体处于交变磁场中时，铁心会因电磁感应而在内部产生自行闭合的电涡流而发热。因而，为了减小电涡流，避免发热，变压器和交流电动机的铁心都是用硅钢片叠制成的。生产生活中也可以利用电涡流做有用的工作，比如电磁炉、中频炉、高频淬火等都是利用电涡流原理而工作的。电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。1.工作原理 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，电流就像水中的漩涡一样在导体内转圈，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。如图3-35.a)b)图3-35 涡流式传感器基本原理图一个通有交变电流I1的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1，当被测金属置于该磁场范围内，金属导体内便产生涡流I2，涡流也将产生一个新磁场H2 ，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量L、阻抗Z和品质因数Q发生变化。线圈与金属导体之间存在磁性联系。涡流效应的特性：由于涡流效应在金属导体内产生电涡流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，这称为集肤效集肤效应应。电涡流具有集肤效应，它与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率越高，电涡流的渗透深度就越浅，集肤效应就越严重。由于存在集肤效应，电涡流方法只能检测导体表面的各种物理参量。改变频率f，可控制检测深度。激励源频率一般为100kHz1MHz.为了使电涡流深入金属导体深处，或对距离较远的金属体进行检测，可采用十几千赫甚至几百赫兹的低频激励频率。a)b)涡流式传感器基本原理图2.等效电路及其分析把导体形象地看作一个短路线圈，那么线圈与导体间的关系可用图3-35b)所示的电路来表示。根据基尔霍夫定律，可列出电路方程组为 （3-41）解此方程组，得传感器工作时的等效阻抗为（3-42）等效电阻、等效电感分别为（3-43）（3-44）线圈的品质因数为（3-45）可以看出，当被测参数变化，既能引起线圈阻抗Z变化，也能引起线圈电感L和线圈品质因数Q值变化。而这些参数的变化量的大小与导体的电阻率、磁导率和线圈与导体的距离x以及线圈激励电流的角频率和导体的表面因素r等参数有关，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈组抗是这些参数的函数，可写成Z=f（、x、r、）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。例如被测材料的情况不变，激励电流的角频率不变，则阻抗Z就成为距离x的单值函数。利用此原理便可制成涡流位移传感器。涡流位移传感器原理：实验证明，当距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。线圈的感抗XL的变化比R的变化快，则涡流线圈的阻抗是减小的，线圈中的电流i1是增大的。反之，则i1减小。而且由于线圈的品质因数Q（Q=XL/R=L/R)与等效电感成正比，与等效电阻成反比，所以当电涡流增大时，Q下降很多。利用此原理可以制作多种电涡流传感器，如位移测量、转速测量、接近开关等。3、电涡流式传感器的结构电涡流式传感器主要是一个绕制在框架上的绕组,常用的是矩形截面的扁平绕组。导线选用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包线，银线或银合金线。框架要求采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，一般选用聚四氟乙烯、高频陶瓷等。以CZF型涡流传感器为例，如图3-40所示。图3-40 CZF型涡流式传感器的结构图这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的，并利用其耦合程度的变化作为测量值，无论是被测体的物理性质，还是它的尺寸和形状都与测量装置的特性有关。作为传感器的测量装置的线圈仅为实际传感器的一半，而另一半是被测体。CZF型传感器的性能见表3-1。4、测量转换电路电涡流探头与被测物之间的互感量变化可以转换为传感器线圈阻抗Z和品质因数Q等参数的变化。转换电路的作用是把这些参数转换为电压或电流的输出。（1）电桥电路图3-41 电桥电路原理图电桥电路中线圈L1、L2为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。振荡器提供电源，振荡频率根据需要选择。当线圈阻抗变化时，电桥失去平衡。不平衡输出经线性放大和检波，得到输出。图3-42 高频调幅式测量转换电路调幅式是以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测导体之间的关系。图3-42是高频调幅式电路。（2）调幅式电路石英晶体振荡器通过耦合电阻R，向由探头线圈和一个微调电容C0组成的并联谐振回路提供一个稳幅的高频激励信号，相当于一个恒流源。测量时，先调节C0，使LC0的谐振频率等于石英晶体振荡器的频率f0，此时谐振回路的Q值和阻抗Z也最大，恒定电流Ii在LC0并联谐振回路上的压降U0也最大。当被测体为非磁性金属时，物体接近探头时，由于涡流效应，线圈的等效电感L减小，并引起线圈品质因数Q值的下降，并联谐振回路谐振频率不再等于石英晶振的频率而发生失谐状态，使输出电压U0大大降低。当被测体为磁性金属时，探头线圈的电感量略为增大，但由于被测磁性金属体的磁滞损耗，使探头线圈的Q值也大大下降，输出电压U0也降低。在以上两种情况下，被测体与探头的间距越小，输出电压就越低。经高频放大、检波、低放之后，输出的直流电压反映了被测物的位移量。以上几种情况见图3-42-1图3-42-1 定频调幅式的谐振曲线0-探头与被测物间距很远时1-非磁性金属与探头间距较小时2-非磁性金属、间距与探头线圈直径相等时3-磁性金属、间距较小时（3）调频式电路所谓调频式就是将探头线圈的电感量L与微调电容C0构成LC振荡器，以振荡器的频率f作为输出量。此频率可通过f/V转换器（又称鉴频器）转换成电压，由表头显示。也可以直接将频率信号（TTL）信号送到计算机的计数定时器，测出频率。如图3-43.图3-43调频式测量转换电路原理图并联谐振回路的谐振频率为当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电感量L随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变，此频率可直接用计算机测量。用模拟仪表显示，必须用鉴频器，将频率f转换为电压U。5、电涡流传感器的应用（1）位移测量 某些旋转机械，如高速旋转的汽轮机对轴向位移的要求很高。当汽轮机运行时，叶片在高压蒸气推动下高速旋转，它的主轴承受巨大的轴向推力。若主轴的位移超过规定值时，叶片有可能与其他部件碰撞而断裂。利用电涡流原理可以测量汽轮机主轴的轴向位移、电动机轴向窜动等。电涡流轴向位移监测保护装置电涡流探头的安装如图444所示。图3-44 轴向位移的监测1-旋转设备（汽轮机）2-主轴 3-轴联器 4-电涡流探头 5-发电机 6-基座 7-夹紧螺母在设备停机时，将探头安装在与联轴器端面2mm距离的机座上，调节二次仪表使示值为零。当汽轮机启动后，长期监测其轴向位移量。可以发现，由于轴向推力和轴承的磨损而使探头与联轴器端面的间隙减小，二次仪表的输出电压从零开始增大。可调整二次仪表面板上的报警设定值，使位移量达到危险值时，二次仪表发出报警信号或发出停机信号以避免事故发生。上述测量属于动态测量。（2）振动测量 电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的振幅、频谱分布等参数。在研究机器振动时，常常采用多个传感器放置在机器不同部位进行检测，得到各个位置的振幅值和相位值，从而画出振型图，测量方法如图445所示。图4-45 振幅测量（b）长轴多线圈测量（a）径向振动测量（c）叶片振动测量（3）转速测量 若旋转体上已开有一条或数条槽或做成齿状，则可在旁边安装一个电涡流式传感器，如图446所示。当转轴转动时，传感器周期地改变着与旋转体表面之间的距离。于是它的输出电压也周期性地发生变化，此脉冲电压信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化的重复频率，从而测出转轴的转速，若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f(单位为Hz)，转速按下式求得：3-46图3-46 转速测量(a)带凹槽转轴(b)带凸槽转轴（4）安全检测图3-47 电涡流式通道安全检查门简图图3-48 电涡流式通道安全检查门电路原理框图安安全全门门原原理理：L11、L12为发射线圈，L21、L22为接收线圈，密封在门框内。晶振产生的音频信号通过L11、L12在线圈周围产生同频率的交变磁场。因为L11、L12与L21、L22相互垂直，成电气正交状态，无磁路交链，U0=0。当有金属物体通过L11、L12形成的交变磁场H1时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流。电涡流也将产生一个新的微弱磁场H2，但与L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感应出电压。计算机根据感应电压的大小确定金属物体的大小。通常配置x光扫描仪进行成像扫描。更严格的用弱能量的中子发射管和质谱仪来检测密封的箱包中的爆炸物等化学物品。（5）表面探伤（7）探雷（4）镀层厚度测量图3-49 输油管表面裂纹检测 利用电涡流传感器可以检查金属表面(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等。检测过程中，传感器与被测导体保持距离不变。由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流变小，从而引起输出电压突变。图3-49是用电涡流探头检测高压输油管表面裂纹的示意图。两只导向辊以相同的方向旋转，油管在它们的驱动下，匀速地在楔形电涡流探头下方转动，并向前挪动。探头对油管表面逐点扫描，得到图3-50的输出信号。当油管存在裂纹时，电涡流所走的路程大为增加(见图3-49b)，所以电涡流突然减小，输出波形如图3-50中的“尖峰”所示。该信号十分紊乱，用肉眼很难分辨出缺陷性质。将该信号通过带通滤波器，滤去表面不平整、抖动等因素造成的异常输出后，得到图3-50b中的两个尖峰信号。调节电压比较器的阈值电压，得到真正的缺陷信号。图3-50 探伤输出信号图3-51 金属镀层厚度检测（6）金属镀层厚度检测用电涡流原理可以测量塑料表面金属镀层的厚度，以及印刷电路版铜箔的厚度等。如图3-51所示。由于存在集肤效应，镀层越簿，电涡流越小。根据输出的电压大小确定厚度。事先需用电涡流仪对标准厚度的镀层作出“厚度-输出”电压 的标定曲线来对照。（7）探雷（8）接近开关简介接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号，而不象机械式行程开关那样，需要施加机械力。它给出的是开关信号(高电平或低电平)，多数接近开关具有较大的负载能力，能直接驱动中间继电器。接近开关的核心部分是“感辨头”，它必须对正在接近的物体有很高的感辨能力。在生物界里，眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线。而电涡流探头就能感辨金属导体的靠近。接近开关可以用于高速计数、测速，确定金属物体的存在和位置，测量物位和液位，用于人体保护和防盗以及无触点按钮等。接近开关的定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和耐磨性、耐腐蚀性等也是一般机械式行程开关所不能相比的。接近开关的外形如图3-52和3-53所示，可根据不同的用途选择不同的型号。图中a）便于调整与被测物的间距，b）、c）可用于板材的检测，d）、e）可用于线材的检测。图3-52 接近开关的结构形式一a)圆柱形b)平面安装型图3-53 接近开关的结构形式二d)方形e)贯穿形接近开关的特点接近开关的特点 与机械开关相比，接近开关具有如下特点：非接触检测，不影响被测物的运行工况；不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合(防爆型)；输出信号大，易于与计算机或可编程控制器(PLC)等接口；体积小，安装、调整方便。缺点:触点容量较小，输出短路时易烧毁。接近开关的主要特性接近开关的主要特性 1额定动作距离 在规定的条件下所测定到的接近开关的动作距离(mm)；2工作距离 接近开关在实际使用中被设定的安装距离。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而产生误动作；3动作滞差指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就强；滞差特性4重复定位精度(重复性)它表征多次测量动作距离。其数值的离散性的大小一般为动作距离的15。离散性越小，重复定位精度越高。5动作频率 指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。若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，有可能造成漏检。接近开关的规格及接线方式图3-54所示是接近开关的一种典型的三线制接线方式。图3-54 三线制接近开关图3-55 三线制接近开关之NPN、OC门常开输出电路当被测物体未靠近接近开关时，Ib=0，OC门截止，OUT端为高阻态(接入负载后为高电平)；当被测体靠近到动作距离时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平。将中间继电器跨接在+VCC与OUT端上时，KA就处于吸合(得电)状态。图3-56 三线制接近开关输出波形接近开关的应用实例生产工件加工定位在机械加工自动生产线上，可以使用接近开关进行工件的加工定位，图3-57是它的示意图。当传送机构将待加工的金属工件运送到靠近“减速”接近开关的位置时，该接近开关发出“减速”信号，传送机构减速，以提高定位精度。当金属工件到达“定位”接近开关面前时，定位接近开关发出“动作”信号，使传送机构停止运行。紧接着，加工刀具对工件进行机械加工。图3-57 工件的加工定位1-机床2-刀具3-工件4-加工位置5-减速接近开关6-定位接近开关7-传送机构8-计数器及位置控制器图3-58 工件的加工定位的感辨头及调幅式转换电路工件定位感辨头的内部工作原理：当金属体接近感辨头时，随着金属表面电涡流的增大，电涡流线圈的Q值越来越低，因为振荡器的能量被金属体所吸收，所以其输出电压U01转来越低，甚至停振，使U01=0。比较器将U01与基准电压UR作比较。当U01 UR时，比较器翻转，输出高电平，报警器报警（闪亮），执行机构动作（停机）。在该机构中，还可将“减速”接近开关的信号接到计数器输入端。当传送带上的每一个工件从该开关经过时，接近开关动作一次，输出一个计数脉冲，计数器加1。计数时涉及抖动导致的重复读数的问题，由于接近开关的滞差特性而解决这一问题（如图3-59所示）。图3-59 工件的加工定位的滞差特性电磁炉作为一种新型灶具,它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流（涡流）的加热原理。电磁炉是通过电子线路产生交变磁场(工作频率在20-30千赫的中频)、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能（故：电磁炉的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。中频炉也是一种电磁炉，工作过程如下：首先是通过一个逆变电源，把三相交流电整流（用晶闸管）变成单相直流电，然后由逆变桥逆变成一种500-1000Hz的中频脉冲交流电，再通过炉胆内的铜圈形成磁场，磁场使线圈内的钢材产生涡流，涡流流过被加热的钢材，产生热量，从而达到熔炼钢材的目的。逆变器，是一种逆变装置。他和变压器有直接区别，也就是说，他可以实现直流输入，然后输出交流，工作原理和开关电源一样，但震荡频率在一定范围内，比如如果这个频率为50HZ，输出则为交流50HZ。逆变器是可以改变其频率的设备。感应加热的基本原理：将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。高频淬火（高频感应加热）：是采用集肤效应的电涡流原理改变工件表层一定深度的金属组织和硬度，电流频率在100500 kHz（千赫），有效淬硬深度为0.52 mm（毫米），主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件，如小模数齿轮、中小型轴等。