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第四章电涡流传感器 本章学习电涡流传感器的原理及应用 并涉及接近开关的原理 结构 特性参数及应用 2020 3 19 2 第一节电涡流传感器工作原理 电涡流效应演示 当电涡流线圈与金属板的距离x减小时 电涡流线圈的等效电感L减小 等效电阻R增大 流过电涡流线圈的电流i1增大 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 集肤效应 频率f越高 电涡流的渗透的深度就越浅 集肤效应越严重 电涡流传感器工作原理 当高频 100kHz 2MHz 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 被测导体表面就产生电涡流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 二 等效阻抗分析 检测深度与激励源频率有何关系 电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为 Z R j L f f r x 式中的r为表面因子 如果控制上式中的f r不变 电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个变量的单值函数 属于接触式测量还是非接触式测量 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f 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 其他用途 如果控制x f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 有关的磁性材料型号 表面硬度等参数 电磁炉内部的励磁线圈 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 使锅底发热 烧开锅内食物 第二节电涡流传感器结构及特性 电涡流探头外形 交变磁场 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 CZF 1系列传感器的性能 分析上表请得出结论 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系 2020 3 19 12 大直径电涡流探雷器 第三节测量转换电路 一 调幅式 AM 电路 石英振荡器产生稳频 稳幅高频振荡电压 100kHz 2MHz 用于激励电涡流线圈 金属材料在高频磁场中产生电涡流 引起电涡流线圈两端电压的衰减 输出电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的距离 部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的手 泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗 为什么 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 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 并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的电感量L 0 8mH 微调电容C0 200pF 求振荡器的频率f 1pF 10 12F 2020 3 19 17 鉴频器在调频式电路中的应用 设电路参数如上页 计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电压Uo0 若电涡流线圈靠近金属后 电涡流探头的输出频率f上升为500kHz f为多少 输出电压Uo为多少伏 第四节电涡流传感器的应用 一 位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件 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 根据衰减量的变化或振荡频率的变化 可地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 工作时不受灰尘等因素的影响 可在各种恶劣条件下使用 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 冲击 偏心率 冲程 宽度等 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 2020 3 19 20 4 20mA电涡流位移传感器外形 参考德国图尔克公司资料 齐平式电涡流位移传感器外形 参考德国图尔克公司资料 齐平式传感器安装时可以不高出安装面 不易被损害 2020 3 19 22 V系列电涡流位移传感器外形 参考浙江洞头开关厂资料 齐平式 2020 3 19 23 V系列电涡流位移传感器性能一览表 摘自洞头开关厂资料 2020 3 19 24 某V系列电涡流位移传感器的机械图 四线制电涡流位移传感器的接线说明 有的位移传感器同时具备两种动作输出状态 可选择从高电压向低电压转变 和从低电压向高电压转变两种方式 分别称为NPN和PNP输出模式 俗称为常开输出或常闭输出模式 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 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 在用作定量测量时 必须采用逐点标定 计算机线性纠正 温度补补偿等措施 2020 3 19 27 位移传感器的分类 2020 3 19 28 偏心和振动检测 2020 3 19 29 通过测量间隙来测量径向跳动 2020 3 19 30 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 测量金属薄膜 板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度 导向辊的材料可以用金属制作吗 2020 3 19 32 测量尺寸 公差及零件识别 通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移 2020 3 19 33 测量封口机工作间隙 间隙越大 电涡流越小 2020 3 19 34 测量注塑机开合模的间隙 间距 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及数显表读数 列出对照表 存入计算机 从而达到线性化的目的 电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线 1 2 3的量程和线性范围各为多少mm 二 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 2020 3 19 38 调频法测量振动的波形 2020 3 19 39 振动测量 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅及频率 2020 3 19 40 电涡流探头接到图4 4所示的调幅测量 叶片振动的幅度Xm为多少mm 叶片振动的周期T及频率f为多少 2020 3 19 41 三 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 2020 3 19 42 各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置 2020 3 19 43 齿轮转速测量 例 下图中 设齿数z 48 测得频率f 120Hz 求该齿轮的转速n 2020 3 19 44 电动机转速测量 四 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 电涡流涂层厚度仪 2020 3 19 47 电涡流涂层厚度仪原理 2020 3 19 48 测量金属镀层或绝缘层厚度 测量金属镀层或绝缘层厚度的计算方法有何区别 五 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 2020 3 19 50 安检门演示 当有金属物体穿越安检门时报警 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 2020 3 19 51 六 电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪 油管探伤 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30 m的表面微小裂纹 参考无锡市通达滚子有限公司资料 2020 3 19 53 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 2020 3 19 54 掌上型电涡流探伤仪 2020 3 19 55 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 2020 3 19 56 台式电涡流探伤仪 2020 3 19 57 花瓣阻抗图 第五节接近开关简介 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 接近开关的核心部分是 感辨头 它对正在接近的物体有很高的感辨能力 2020 3 19 59 接近开关外形 2020 3 19 60 接近开关外形 2020 3 19 61 接近开关外形 续 一 常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式 以下简称电感接近开关 电容式 磁性干簧开关 霍尔式 光电式 微波式 超声波式等 二 接近开关的特点 接近开关与被测物不接触 不会产生机械磨损和疲劳损伤 工作寿命长 响应快 无触点 无火花 无噪声 防潮 防尘 防爆性能较好 体积小 安装 调整方便 缺点是触点容量较小 输出短路时易烧毁 2020 3 19 64 三 接近开关的主要性能指标 额定动作距离 工作距离 动作滞差 重复定位精度 重复性 动作频率等 四 电涡流接近开关 即 电感接近开关 的工作原理 电感接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成 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 使接近开关振荡能力衰减 内部电路的参数发生变化 由此识别出有无金属物体接近 进而控制开关的通或断 这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体 2020 3 19 66 五 电涡流接近开关原理框图 2020 3 19 67 六 常见接近开关的型号说明 摘自浙江 洞头开关厂资料 七 接近开关的术语解释 1 1 动作 检测 距离 被测体按一定方式移动时 从基准位置 接近开关的感应表面 到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称值 2 设定距离 指整定距离 一般为额定动作距离的0 8倍 以保证工作可靠 3 复位距离 接近开关动作后 又再次复位时的与被测物的距离 它略大于动作距离 4 回差值 动作距离与复位距离之间的绝对值 回差值越大 对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强 2020 3 19 69 接近开关的检测距离与回差 接近开关的术语解释 2 标准检测体 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A3钢 厚度为1mm 所采用的边长是接近开关检测面直径的2 5倍 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 以Fe为参考金属 对于非磁性材料 被测体的电导率越高 则灵敏度越高 被测体是磁性材料时 其磁导率将影响电涡流线圈的感抗 其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值 磁滞损耗大时 其灵敏度通常较高 接近开关的术语解释 3 接近开关的安装方式 分齐平式和非齐平式 齐平式 又称埋入型 的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面 不易被碰坏 但灵敏度较低 非齐平式 非埋入安装型 的接近开关则需要把感应头露出一定高度 否则将降低灵敏度 2020 3 19 73 接近开关的安装方式 齐平式安装 非齐平式安装 接近开关的术语解释 4 响应频率f 按规定 在1秒的时间间隔内 接近开关动作循环的最大次数 重复频率大于该值时 接近开关无反应 响应时间t 接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差 可用公式换算 t 1 f 2020 3 19 75 响应频率及响应时间示意图 接近开关的术语解释 5 输出状态 常开 常闭型接近开关当无检测物体时 对常开型接近开关而言 由于接近开关内部的输出三极管截止 所接的负载不工作 失电 当检测到物体时 内部的输出级三极管导通 负载得电工作 对常闭型接近开关而言 当未检测到物体时 三极管反而处于导通状态 负载得电工作 反之则负载失电 接近开关的术语解释 6 常用的输出形式有 NPN二线 NPN三线 NPN四线 PNP二线 PNP三线 PNP四线 DC二线 AC二线 AC五线 带继电器 等几种 读者可查阅以下有关资料 2020 3 19 78 输出形式 1 4 负载 负载 蓝 蓝 蓝 蓝 2020 3 19 79 输出形式 5 8 负载 负载 负载 接近开关的术语解释 7 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电压降 一般情况下 导通压降约为0 3V 2020 3 19 81 导通压降 0 3V 接近开关的接线方法举例 以NPN 常开型为例来说明接线方法 OUT端与GND端的压降Uces约为0 3V 流过KA的电流IKA VCC 0 3 RKA 若IKA大于KA的额定吸合电流 则KA能够可靠吸合 请按接线图将各元件正确地连接起来 接近开关使用注意事项 1 请勿将电感接近开关置于0 02T以上的磁场环境下使用 以免造成误动作 2 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 核定电压是否为额定值 3 为了使接近开关长期稳定工作 请务必进行定期的维护 包括被检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动 接线和连接部位是否接触不良 是否有金属粉尘粘附等 4 DC二线制接近开关具有0 5 1mA的静态泄漏电流 在一些对泄漏电流要求较高的场合下 可改用DC三线制接近开关 5 接近开关使用电感性负载时 务必在负载两端并接续流二极管 以免损坏接近开关输出级 2020 3 19 85 休息一下