第四章 電渦流式傳感器(2013)

1、電渦流的應用電渦流的應用 在我們日常生活中經(jīng)?？梢杂龅皆谖覀內粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅? 1）干凈、高效的電磁爐）干凈、高效的電磁爐電磁爐內部的勵磁線圈電磁爐內部的勵磁線圈2）電磁爐的工作原理）電磁爐的工作原理高頻電流通高頻電流通過勵磁線圈，過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁產(chǎn)生交變磁場，在鐵質場，在鐵質鍋底會產(chǎn)生鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦無數(shù)的電渦流，使鍋底流，使鍋底自行發(fā)熱，自行發(fā)熱，燒開鍋內的燒開鍋內的食物。食物。3 3）大直徑電渦流探雷器）大直徑電渦流探雷器 4-1工作原理一、工作原理 一個通有交流電流J1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。 被測導體置于該磁場周圍之內，被測導體

2、內變會產(chǎn)生電渦流J J2，電渦流也將產(chǎn)生一個新的磁場H2。 H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因素發(fā)生改變。阻抗,1ItxrFZ 電感,21ItxrFL 品質因數(shù),3ItxrFQ ,為激勵線圈半徑為頻率，為電流為厚度為距離為電導率為金屬導體的磁導率rItx渦電流渦電流如果控制上面公式中的某些參數(shù)不變，而只改變其中的一個參數(shù)，這樣阻抗就成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。特別是在 恒定不變時。Z就變成距離x的單值函數(shù)。因此，電渦流傳感器是一個載流線圈加上金屬導體。、Itr二、等效電路分析精確列出線圈阻抗與線圈到被測導體精確列出線圈阻抗與線圈到被測導體距離等參數(shù)之間的函數(shù)

3、是比較困難的，距離等參數(shù)之間的函數(shù)是比較困難的，可將渦電流等效為一個短路線圈，它可將渦電流等效為一個短路線圈，它與傳感線圈構成耦合線圈。與傳感線圈構成耦合線圈。由基爾霍夫定律，得：由基爾霍夫定律，得：02222121111ILjIRIMjUIMjILjIRZULLRMLjRLRMRUI222222212212222112222222122222221LLRMLjRLRMRZ222212222212112222121222212111)1 ()1 (ZMRRZMLLRLZMRRRZMLLLRLQ記AZMLRM2222222222：222221222221)(ZMLLjZMRRZ：222221ZM

4、RRR：222221ZMLLL線圈的品質因數(shù)：2Z金屬導體中產(chǎn)生的渦電流環(huán)的阻抗Q0無渦流影響（4）在金屬導體上流動的電渦流必然產(chǎn)生熱量而消耗能量，使線圈阻抗的實數(shù)部分增加，導致品質因數(shù)值下降。 xFQxFLxFZ3211,討論（1）阻抗、電感、品質因數(shù)都與互感系數(shù)M有關。M與x為非線性關系，即：（2）若被測體為磁性材料，則x減小，L1增大；若被測導體為非磁性材料，則L1=const.;（3）L中第二項與電渦流有關，電渦流產(chǎn)生一與原磁場方向相反的磁場并由此減小線圈的電感，間距x越小，電感的減小程度就越大。222221ZMLLL222221ZMRRR一、電渦流與軸向距離的關系 由線圈導體的電磁作

5、用，可得導體中電渦流為：2112221111ososxIIIxrrx為線圈激勵電流1I為間距x為線圈外半徑osr4-2電渦流形成的范圍電渦流不僅是距離x的函數(shù)，而且只在被測導體的表面薄層內及半徑方向的有限范圍內形成。21osIxrI15. 005. 0osrX1 1、電渦流隨軸向距離x的增加而迅速減??；即：討論2、為了獲得較強的電渦流效應，應保證：1osrx一般：一種簡化的模型如圖。導體假設只有一個環(huán)，而環(huán)中的電流密度（電流/單位面積）是半徑的函數(shù)：osoosorrrevjrrevjj114141440,osrrv 度時，電渦流（最大）密為1vjo二、渦電流的徑向形成范圍被測金屬線圈外半徑線圈

6、內半徑?；虍敚鹤畲箅娏髅芏?，當：0, 0;,0jrrjjrrros525. 0osirr89. 1osorr討論525. 0osirr89. 1osorr1、當 時，即在線圈外徑處，電渦流密度最大（jo)；2、在線圈的軸線附近，電渦流非常小，可以設想為一個孔，這個孔的孔徑為 ；3、當 （稱“有效外徑”時，電流密度衰減到最大值的5）osrr )(525. 0iosrrr)(89. 1oosrrroj金屬表面渦流密度（即最大電流密度）；趨膚深度（軸向貫穿深度）；趨膚深度（軸向貫穿深度）；ejjot在距離導體表面x=t處，該處渦流密度為：三、電渦流的軸向貫穿深度由于“趨膚效應”，渦流密度在金屬導體中

7、的軸向分布按指數(shù)規(guī)律衰減：txoxejj金屬導體中某點距離金屬表面x的電渦流密度；xj“趨膚效應”(集膚效應）交流電通過導體時，由于感應作用，引起導體截面積上電流分布不均勻；越近導體表面，電流密度越大。則該深度即為趨膚深度（或軸向貫穿深度）。貫穿深度值可由下式計算：,5000fftrro導體電阻率；r相對磁導率；f激勵頻率（1）貫穿深度與被測體的材料有關；（2）當被測導體材料一定時。軸向貫穿深度是激勵頻率的函數(shù)。頻率越高，趨膚深度越小。討論4-3 電渦流傳感器的設計一、線圈的形狀和大小在線圈中，取單匝載流圓導線，在其軸上的磁感應強度：232220)(2rxrIBpbsrosdrdxrisBpx

8、rx傳感器線圈在軸上的磁感應強度r扁平導線，單位面積上的電流密度：sisosbrrNIj)(取通過截面積為dxdr處的圓形電流：dxdrbrrNIisisos)(此電流在軸上x處所產(chǎn)生的磁感應為：dxdrbrrNrxrIdBsisosp)()(2232220則，整個載流扁平線圈在x處所產(chǎn)生的總的磁感應強度：dxdrrxrbrrNIdBBosisrrxxsoiospp 21232220)()(2積分結果：22222222ln)()(ln)()(2xrrxrrxbxrrbxrrbxbrrNIBososisissosossisisbssisosop1、線圈外徑越大，線圈的磁場軸向分布范圍（即線性范圍

9、）越大，但是磁感應強度的變化的梯度（即靈敏度）越??；反之亦然。2、線圈內徑的變化對線性范圍和靈敏度影響不大。3、線圈厚度的變化對線性范圍和靈敏度影響不大。討論1234561-線圈 2-框架 3-框架襯套 4-支架 5-電纜 6-插頭4-10 CZF型傳感器結構44被測體材料形狀和大小的影響一.被測體材料的影響被測體材料影響傳感器線圈的阻抗影響靈敏度1.被測體電導率線圈等效阻抗 R電渦流 2I靈敏度 2.非磁性體比磁性體的測量靈敏度高 222222221LRMLLL（對原磁場影響大）線圈等效電感L；磁性體導磁率引起變化1L2222222LRMA渦流效應引起變化 即變化不大ALLLALx2113.

10、若被測體表面有鍍層且不均勻， 則當激勵頻率 f使趨膚深度 t時，干擾影響強烈。 即磁性材料靈敏度低。二被測體大小形狀的影響為了充分地有效利用電渦流效應，被測體的大小、形狀應不影響電渦流形成的有效范圍。否則靈敏度下降。a.被測體的面積要求線圈面積圓柱體被測體直徑線圈直徑的3.53.5倍以上。b.厚度要求0.2mm 525. 0osirr89. 1osorr三環(huán)境影響b.測量非磁性材料時，周圍的磁場對測量無影響。 而測量磁性材料時，周圍的磁場若方向，則對測量有影響。a.傳感器線圈周圍，除被測導體外，應盡可能避開其他導體。四安裝傳感器線圈（未加屏蔽時）與非被測金屬之間，至少需要相距一個線圈的直徑大小

11、非被測金屬一電橋電路（阻抗變換電路）兩個傳感器線圈差接與21LL222111/,/CLZCLZ01221uRZRZ電橋輸出平衡時：當被測體與線圈耦合時 ， xfZ 電橋失衡 0u經(jīng)放大橋波輸出 45 測量電路用于差動式電渦流傳感器如圖兩個渦電流傳感器組成差動結構二諧振法：諧振頻率LCfo21諧振時，回路的阻抗最大：CRLZoZZZfffLLLoooo時，當將線圈電感與固定電容并聯(lián)成諧振電路。（一）調幅法石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)壓穩(wěn)頻的高頻激勵電壓。調幅法原理框圖石英晶體傳感器源級輸出高頻放大器檢波濾波輸出接近被測體時，由L而失諧， Q振幅下降 oU曲線變純，并向左右移動。若磁性材料：由于磁效應LcLL

12、fo21曲線左移uE1若非磁性材料：LcLLfo21曲線右移uE1無被測體時，諧振狀態(tài). uZLx（二）調頻法如圖ufcLLfLx 頻率電壓轉換頻率計0021（三）正反饋法電感做放大器的反饋元件：xL放大器放大倍數(shù)k輸出電壓變化u46 其它形式的電渦流傳感器u1u2L1L2h低頻電渦流測厚儀t1t2t3t1 t2 t3u2h一般：f=1000Hzft47 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的外形：電渦流傳感器的特性：能夠準確地檢測能夠準確地檢測到瞬時變化。到瞬時變化。高速數(shù)字處理線路可以準確地檢測到常規(guī)的取樣速度檢測不到的實際峰(底)值。高準確度的高準確度的FLL線路線路為得到高準確度的FLL線路

13、(平級線性化),可對每一個感測頭采用最佳的線性化校正。只要簡單的調整就能夠以同級中最佳的準確度進行測量。電渦流傳感器的特性：n轉速測量轉速測量n計數(shù)計數(shù)n測厚度測厚度n探傷探傷n測振動測振動n測溫測溫n測位移測位移主要應用主要應用a）測位移）測位移 測量封口機工作間隙測量封口機工作間隙市場上自動封口市場上自動封口機，利用電渦流機，利用電渦流原理。待封口位原理。待封口位置含鋁，檢測到置含鋁，檢測到封口位置時，電封口位置時，電渦流效應產(chǎn)生熱渦流效應產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)封口。量，實現(xiàn)封口。間隙越大，電渦間隙越大，電渦流越小流越小位移測量儀位移測量儀n位移測量包含：偏心、位移測量包含：偏心、間隙、位置、傾斜

14、、彎間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應寬度等等。來自不同應用領域的許多量都可歸用領域的許多量都可歸結為位移或間隙變化。結為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測量儀及探頭數(shù)顯位移測量儀及探頭第四章 非電量的電測技術b）安檢門演示）安檢門演示當有金屬物體穿當有金屬物體穿越安檢門時報警越安檢門時報警 安檢門的內部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就安檢門的內部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據(jù)感應電會在該金屬導體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據(jù)感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側面還安裝一臺壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側面還安裝一臺“軟軟x x光光”掃掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學圖像。描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學圖像。c）測振動）測振動 汽輪機葉片測試汽輪機葉片測試 測量懸臂梁的振測量懸臂梁的振幅及頻率幅及頻率齒輪轉速測量齒輪轉速測量_電動機轉速測量電動機轉速測量 例：下圖中，設齒數(shù)例：下圖中，設齒數(shù)z=48z=4