3.3 電渦流式傳感器

1、1電渦流式傳感器n電渦流傳感器可以測(cè)量位移、厚度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無(wú)損探傷，是一種應(yīng)用廣泛且有發(fā)展前途的傳感器。n電渦流傳感器是利用原理，將位移等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化），從而進(jìn)行非電量電測(cè)的。渦流渦流當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)引起感應(yīng)電流，此電流體內(nèi)引起感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合。在導(dǎo)體內(nèi)閉合。23.3.1 電渦流式傳感器的工作原理3.3.2 電渦流式傳感器的類型3.3.3 渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器3 線圈置于金屬導(dǎo)體附近：線圈置于金屬導(dǎo)體附近： 線圈中通以高頻信號(hào)線圈中通以

2、高頻信號(hào) i1 正弦交變磁場(chǎng)正弦交變磁場(chǎng) H1 金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流 渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng)渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng)H2 反作用于線圈反作用于線圈 ,改變了電感改變了電感 4n傳感器線圈受渦流影響時(shí)的等效阻抗Z為為線圈與導(dǎo)體間的距離率為線圈中激磁電流的頻因子為線圈與被測(cè)體的尺寸為被測(cè)體的磁導(dǎo)率為被測(cè)體的電阻率xfrxfrFZ),(52.等效電路n討論電渦流式傳感器時(shí)，可以把產(chǎn)生渦流討論電渦流式傳感器時(shí)，可以把產(chǎn)生渦流的金屬導(dǎo)體等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電的金屬導(dǎo)體等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流只分布在環(huán)體內(nèi)?？傻玫刃щ娐罚簻u流只分布在環(huán)體內(nèi)?？傻玫刃щ娐罚?n從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存

3、在著電渦從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。n能量損耗使傳感器的能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z降低，降低，因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí)，改變時(shí)，傳感器的傳感器的Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z、電感、電感L均發(fā)生變均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量?；?，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。7nR2為電渦流短路環(huán)等效電阻：為電渦流短路環(huán)等效電阻：nh為電渦流的深度，為電渦流的深度，ra為短路環(huán)外徑，為短路環(huán)外徑，ri為內(nèi)徑為內(nèi)徑n由基爾霍夫電壓定律有：由基爾霍夫電壓定律有：iarrhRl

4、n22222222221222222211122221121111)()(0LRRMLLLLRRMRRLjRIUZILjIRIMjUIMjILjIReqeqeqeq其中可得等效阻抗為：8結(jié)論：n由于電渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)部（等效電阻）增大，由于電渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)部（等效電阻）增大，虛部（等效電感）減小，線圈的等效品種因素下降。虛部（等效電感）減小，線圈的等效品種因素下降。n電渦流式傳感器的等效參數(shù)都是互感系數(shù)電渦流式傳感器的等效參數(shù)都是互感系數(shù)M2的函數(shù)。通常的函數(shù)。通?？偸抢闷涞刃щ姼械淖兓M成測(cè)量電路，因此，電渦流總是利用其等效電感的變化組成測(cè)量電路，因此，電渦流式傳感器

5、屬于電感式（互感式）傳感器。式傳感器屬于電感式（互感式）傳感器。22222222122222221)()(LRRMLLLLRRMRReqeq93.測(cè)量電路n用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要是調(diào)頻式、調(diào)幅式測(cè)用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要是調(diào)頻式、調(diào)幅式測(cè)量電路兩種。量電路兩種。（1 1）調(diào)頻式測(cè)量電路。）調(diào)頻式測(cè)量電路。 傳感器線圈作為傳感器線圈作為L(zhǎng)C振蕩器的電感元件，當(dāng)傳感器等效電振蕩器的電感元件，當(dāng)傳感器等效電感在渦流影響發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變感在渦流影響發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率，或通過(guò)變換后數(shù)字電壓表化。由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率，或通過(guò)變換后

6、數(shù)字電壓表測(cè)量出對(duì)應(yīng)的電壓。測(cè)量出對(duì)應(yīng)的電壓。012fLC前前置置級(jí)級(jí)整整形形放放大大鑒鑒頻頻器器濾濾波波VDC10（2）調(diào)幅式測(cè)量電路）調(diào)幅式測(cè)量電路n當(dāng)金屬導(dǎo)體與傳感器的相對(duì)位置為某一確定值時(shí)，當(dāng)金屬導(dǎo)體與傳感器的相對(duì)位置為某一確定值時(shí)，LC振振蕩回路的振動(dòng)頻率恰好等于激勵(lì)頻率蕩回路的振動(dòng)頻率恰好等于激勵(lì)頻率f0，此時(shí)，回路呈現(xiàn)，此時(shí)，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上輸出的電壓也最大。的阻抗最大，諧振回路上輸出的電壓也最大。n當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體接近或遠(yuǎn)離線圈時(shí)，線圈電感當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體接近或遠(yuǎn)離線圈時(shí)，線圈電感L發(fā)生變化，發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，相應(yīng)的諧振頻率改變，等效阻抗減小，使導(dǎo)致回路失諧，相

7、應(yīng)的諧振頻率改變，等效阻抗減小，使輸出電壓幅值減小。輸出電壓幅值減小。源源極極跟跟蹤蹤器器交交流流放放大大器器檢檢波波濾濾波波器器xVDC振蕩器振蕩器RC0L11)(5030cmfhr式中式中, 導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率(cm)； r導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率； 交變磁場(chǎng)頻率交變磁場(chǎng)頻率(Hz)。3.3.2電渦流式傳感器的類型渦流穿透深度渦流穿透深度 h 與激勵(lì)頻率有關(guān)，所以電渦流與激勵(lì)頻率有關(guān)，所以電渦流式傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率高低，可分為高頻反射式傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率高低，可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。式和低頻透射式兩類。渦流穿透深度渦流穿透深度h與激勵(lì)頻率有關(guān)，與激勵(lì)頻率有關(guān)， 磁場(chǎng)變化頻

8、磁場(chǎng)變化頻率越高，渦流的集膚效應(yīng)越顯著，即渦流的穿率越高，渦流的集膚效應(yīng)越顯著，即渦流的穿透深度越小，其穿透深度為：透深度越小，其穿透深度為：線圈 框架 3框架襯套4 支架 5電纜 6插頭1.高頻反射式渦流傳感器13下圖所示為高頻反射式渦流傳感器工作原理。 金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1。n渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度t，金屬板與線圈的距離x，激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。n若改變其中某參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。142. 低頻透射式渦流傳感器 透射式渦流傳感

9、器原理 線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線測(cè)厚的依據(jù)測(cè)厚的依據(jù): E的大小間接反映了M的厚度t發(fā)射線圈接收線圈15 由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。16 但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。17當(dāng)選用不同的測(cè)試頻率時(shí)，滲透深度Q滲的值是不同的，從而使Et曲線的形狀發(fā)生變化。 在t較小的情況下，Q小曲線的斜率大于Q大曲線的斜率；而在t較大的情況下，Q大曲線的斜率大于Q小曲線的斜率。 測(cè)量薄板時(shí)應(yīng)選較高的頻率，測(cè)量厚材時(shí)應(yīng)選

10、較低的頻率。321123fffffffQeEsQts/，而)(5030cmfhr18測(cè)試頻率與材料關(guān)系n對(duì)于一定的測(cè)試頻率，當(dāng)被測(cè)材料的電阻率不同時(shí)，滲透深度Q滲的值也不相同，于是又引起Et曲線形狀的變化，為使測(cè)量不同的材料時(shí)所得到的曲線形狀相近，就需在變動(dòng)時(shí)保持Q不變，這時(shí)應(yīng)該相應(yīng)地改變f。n測(cè)較小的材料(如紫銅)時(shí)，選用較低的 (500Hz)而測(cè)較大的材料(如黃銅、鋁)時(shí)，則選用較高的 (2KHz)，從而保證傳感器在測(cè)量不同材料時(shí)的線性度和靈敏度。193.3.3 渦流式傳感器的應(yīng)用x, x被 測(cè) 參 數(shù)變 換 量特 征位移、厚度、振動(dòng) （1）非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量 （2）受剩磁的影響。表面溫

11、度、電解質(zhì)濃度材質(zhì)判別、速度（溫度） (1)非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量； (2) 對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償應(yīng)力、硬度 （1） 非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量； （2） 受剩磁和材質(zhì)影響探傷 可以定量測(cè)量201位移測(cè)量位移測(cè)量(a) 汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量示意圖(b) 磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測(cè)量示意圖(c) 金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖 1-被測(cè)體 2-傳感器探頭212 振幅測(cè)量振幅測(cè)量(a)汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)常用的監(jiān)控主軸的徑向振動(dòng)的示意圖(b)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振幅的示意圖(c) 通常使用數(shù)個(gè)傳感器探頭并排地安置在軸附近1-被測(cè)體 2-傳感器探頭223 3厚度測(cè)量厚度測(cè)量 電渦流式厚度計(jì)的測(cè)量原理圖 1-被測(cè)體 2-傳感器探頭234 4轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量60nfN f頻率值(Hz)； n旋轉(zhuǎn)體的槽(齒)數(shù)； N被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速(rmin)。 245. 5. 渦流探傷渦流探傷 原理原理: :裂紋檢測(cè)，缺陷造裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。成渦流變化?；疖囕啓z測(cè)火車輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)25n可以用來(lái)檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。 n綜合參數(shù)(x, , )的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通過(guò)測(cè)量傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的。 n在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的，在測(cè)量線圈上就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制頻率信號(hào) 26a)比較淺的裂縫信號(hào)比較