電渦流式傳感器

電渦流式傳感器電渦流傳感器是一種能將機(jī)械位移，振幅和轉(zhuǎn)速等參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的非電量電測(cè)裝置。它由探頭，變換器，連接電纜及被測(cè)導(dǎo)體組成，是實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的理想工具。其最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)寬、體積小等特點(diǎn)，因此在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一、基本工作原理當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流就像水中的漩渦那樣，在導(dǎo)體內(nèi)部形成閉合回路，我們通常稱之為電渦流，稱這種現(xiàn)象為渦流效應(yīng)。電渦流傳感器就是在渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。圖1電渦流式傳感器基本原理示意圖1—傳感線圈；2—金屬導(dǎo)體圖1電渦流式傳感器基本原理示意圖1—傳感線圈；2—金屬導(dǎo)體MR2U1圖2等效電路電渦流傳感器的基本原理如圖1所示。一個(gè)通有交變電流11的傳感線圈，由于電流的周期性變化，在線圈周圍就產(chǎn)生了一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。如被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍之內(nèi)，被測(cè)導(dǎo)體便產(chǎn)生渦流12,電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)H2，"2和"1方向相反，由于磁場(chǎng)"2的反作用使通電線圈的等效阻抗發(fā)生變化。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，金屬導(dǎo)體產(chǎn)生渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率P、磁導(dǎo)率H、厚度t、線圈與金屬導(dǎo)體間的距離S以及線圈激勵(lì)電流的大小和角頻率①等參數(shù)有關(guān)。如固定其中某些參數(shù)，就能按渦流的大小測(cè)量出另外一些參數(shù)。為了簡(jiǎn)化問題，我們把金屬導(dǎo)體理解為一個(gè)短路線圈，并用氣表示這個(gè)短路線

圈的電阻；用七表示它的電感；用M表示它與空心線圈之間的互感；再假設(shè)電渦流空心線圈的電阻與電感分別為R1和L1，就可畫出如圖2所示的等效電路。,Z,Z=UI1(c ?2M2)[Ri+R2(c ?2M2)[Ri+R2EKJ22+j?L ?LI1R2+①2L2 :22式中R一電渦流線圈工作時(shí)的等效電阻;L一電渦流線圈工作時(shí)的等效電感。由上式可知，等效電阻、等效電感都是此系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。因此，只有當(dāng)測(cè)距范圍較小時(shí)才能保證一定的線性度。凡是能引起渦流變化的非電量，例如金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈與導(dǎo)體間的距離等，均可通過測(cè)量線圈的等效電阻、等效電感、等效阻抗來獲得，這就是電渦流式傳感器的工作原理。二、電渦流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域電渦流傳感器主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域。1、 位移測(cè)量電渦流傳感器可用來測(cè)量各種形狀金屬導(dǎo)體試件的位移量。如汽輪機(jī)主軸的軸向位移、磨床換向閥及先導(dǎo)閥的軸位移和金屬試件的熱膨脹系數(shù)、鐵軌的橫向位移等。2、 振幅測(cè)量電渦流式傳感器可以無接觸地測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)，也可以測(cè)量汽輪機(jī)渦輪葉片的振幅。有時(shí)為了解軸的振動(dòng)形狀，可用數(shù)個(gè)電渦流傳感器并排地安置在附近車輛。3、 轉(zhuǎn)速測(cè)量在旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽做成齒狀，旁邊安裝一個(gè)電渦流式傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器周期地改變著與轉(zhuǎn)軸之間的距離，于是它的輸出也周期性的發(fā)生變化。此輸出信號(hào)經(jīng)放大、變換后，可以用頻率計(jì)測(cè)出其變化頻率，從而測(cè)出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽，頻率計(jì)讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的數(shù)值為n=60^。z4、 電渦流探傷利用電渦流式傳感器可以檢查金屬表面裂紋、熱處理裂紋以及焊接處的缺陷等。在探傷時(shí)，傳感器與被測(cè)導(dǎo)體保持距離不變。檢測(cè)時(shí)，由于裂陷出現(xiàn)出現(xiàn)，將引起導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，即渦流損耗改變，從而引起輸出電壓的突變，達(dá)到探傷的目的。此外，電渦流式傳感器還可以探測(cè)金屬表面溫度、表面粗糙度、硬度、進(jìn)行尺寸檢測(cè)等，并且可以利用渦流成像來探測(cè)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以制成開關(guān)量輸出的檢測(cè)元件，例如應(yīng)用較廣的接近開關(guān)及用于金屬零件的計(jì)數(shù)等。三、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和研究方向研究現(xiàn)狀：早在50年代，國(guó)外就研制出了以阻抗分析法為原理的渦流儀器。我國(guó)起步較晚，近年來，我國(guó)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和三維缺陷阻抗圖的研究方面取得令人樂觀的實(shí)際結(jié)果，已接近發(fā)達(dá)國(guó)家的研究水平，推動(dòng)了我國(guó)渦流檢測(cè)理論的發(fā)展。目前電渦流主要涉及到如下技術(shù)：1、 阻抗平面顯示技術(shù)渦流檢測(cè)時(shí)，被檢件多種參數(shù)對(duì)線圈阻抗的影響效果的差異既反映在幅值變化上，也表現(xiàn)在相位滯后效應(yīng)上。若在熒光屏上能顯示出阻抗曲線圖，給出被檢件信號(hào)的大小信息和相位信息，從而鑒別出干擾及有用信號(hào)。2、 多渦流檢測(cè)技術(shù)多頻律多通道技術(shù)采用幾個(gè)頻率同時(shí)工作，能成功地抑制多個(gè)干擾因素，提取有用信號(hào)。3、 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)是一種能穿過金屬管壁的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)用一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)距激勵(lì)線圈約二倍直徑的較小的測(cè)量線圈同時(shí)放入被檢管內(nèi)，測(cè)量線圈能有效地接收穿過管壁后返回管內(nèi)的磁場(chǎng)，從而檢測(cè)管子內(nèi)壁缺陷和腐蝕。4、 深層渦流技術(shù)集膚效應(yīng)使渦流檢測(cè)僅局限于檢測(cè)表面和近表面的缺陷，而提高渦流檢測(cè)深度一直是重要的研究課題。深層渦流技術(shù)實(shí)際上是低頻渦流和多頻渦流技術(shù)結(jié)合的成果。即采用較低工作頻率來增大渦流滲透深度，用多個(gè)頻率工作來抑制不需要的信息而提取有用的檢測(cè)信號(hào)，從而達(dá)到探測(cè)較深部位缺陷的目的。未來發(fā)展：1、渦流檢測(cè)探頭是檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵器件，目前，在有關(guān)探頭設(shè)計(jì)的理論研究尚不充分，探頭的制作多是憑經(jīng)驗(yàn)或依據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。通過理論分析來進(jìn)行探頭參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是很重要的研究課題。2、 大力研究和發(fā)展成像技術(shù)。如在管材探傷中，用多頻技術(shù)提取管內(nèi)外表面及內(nèi)部缺陷渦流信號(hào)，并利用微機(jī)對(duì)不同渦流信號(hào)的圖像進(jìn)行分析與識(shí)別，然后在熒光屏上顯示的管子截面圖中準(zhǔn)確地表示出來。目前，國(guó)外這方面研究成果的報(bào)道比較多。國(guó)內(nèi)亦有各種C掃描成像裝置的應(yīng)用，但需要進(jìn)一步的研究，以圖在缺陷性定量分析上有所發(fā)展。3、 隨著我國(guó)石油、天然氣、電力等工程建設(shè)的發(fā)展，管道檢測(cè)必將引起人們的高度重視。由于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)對(duì)管子（特別是鐵磁性管子）內(nèi)部缺陷的檢測(cè)很靈敏，是各種長(zhǎng)距離管道維修檢查的有效方法?？梢灶A(yù)見，遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用在我國(guó)將得到進(jìn)一步的發(fā)展。4、 渦流方法對(duì)金屬材料表面電磁性能非常敏感，通過對(duì)金屬材料表面渦流效應(yīng)與材料表面性能之間關(guān)系的研究分析，可實(shí)現(xiàn)金屬材料表面