钢板厚度测量系统解析

长沙理工大学钢板厚度测量系统

学院：汽车与机械工程学院

班级：车辆1102

学号：201169030201

姓名：侯健

钢板厚度测量系统

一、测量对象说明

本测量系统对象是普通钢板，但为保持测量灵敏度要求其厚度大于0.1mm，被测面应光洁、不应有洞眼、刻痕等，长度50mm、宽度30mm、厚度在0~16mm间。

二、测量原理框图

三、测量原理与方法说明

1.测量原理

如图1所示,在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流I1时,线圈将产生高频磁场,由于集肤效应,高频磁场作用于金属板表面薄层,并在这薄层中产生涡流。涡流I2又会产生交变磁通Ф2反过作有于线圈,使得线圈中的磁通Ф1发生变化而引起自感量变化,在线圈中产生感应电势。电感的变化随涡流而变,而涡流又随线圈与金属板间距x而变化,因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移x的变化。图2为涡流效应等效电路。R1为线圈电阻;L1为线圈电感;R2为短路电阻;L2为短路环电感;U1为激励电压;M为线圈与短路环间的互感。

回路方程:

受涡流影响后线圈的等效阻抗为:

线圈阻抗只与L1、L2、M有关,而L1、L2、M都与x有关,即Z=f(x),因此,如固定传感器的位置,当间距x发生变化时,Z就发生变化,从而达到以传感器阻抗变化值来检测被测金属位移量的值。

传感器阻抗变化还需进一步转化为电信号以便进入数据采集系统。通常的测量方法式采取阻抗变换电路:电涡流传感器探头内线圈,与其它固定阻抗组成原始平衡电桥,随着钢板厚度的变化,探头线圈阻抗值随之变化,这样就破坏了电桥的原始平衡,失衡电桥的桥路输出电压值可反映被测钢板厚度值。除电桥法外,还有高精度的谐振调幅、调频等测量电路。

2、测量方法说明

利用高频反射式涡流传感器的原理,采用上下2路涡流传感器,被

测钢板置于中间,分别测量上、下检测器对钢板间距,相对固定的2路可以实现对钢板的厚度测量,原理如图3。D为2传感器的间距,h为钢板的厚度,x1、x2为钢板到传感器探头的距离,即传感器的测量值。则被测钢板的厚度h为D-(x1+x2)。测量值不受钢板移动的过程中上下波动及带材不够平整的影响。

四、传感器的选型

拟采用上海传振电子科技有限公司的型号为CZ--600传感器。

1、内部系统图

2、技术参数

供电范围1、+18Vdc～+30Vdc（输出信号：4～20mA；

1～5V；1～10V）

2、-24Vdc（-2～-18V）

注：不同的输出方式，供电不同

测量量程动态测量（轴振动位移量）：0-800um；静态

测量（轴向位移）：0～16mm

输出信号4～20mA、1～5V、1～10V、-2～-18V（可选）分辨力0.001mm

线性误差量程: <12mm误差<1%；量程> 13mm误差

<1.5%

输出方式三线制（电源、信号输出、公共端）

输出负载电压输出：输出阻抗<51Ω；电流输出：负

载电阻<500Ω

频率响应0～5KHz(0.5dB)

功耗<10mA(不包括变送输出的电流)

系统温漂0.1%/℃

适用温度范围前置器-30℃～+70℃；探头-40℃～+150℃；电缆-40℃～+150℃

电缆总长5ｍ或9ｍ

延伸电缆4ｍ、4.5ｍ、8ｍ、8.5ｍ

长度

探头电缆长度

1ｍ、0.5ｍ

3、安装说明

（1）被测体要求：被测体材料对传感器特性影响，以2mm 对应-2～-18V 为例（如下图）

（2）.被测体为为圆轴且其轴心线与探头轴心线正交时，要求被测体直径大于探头直径3倍以上，否则传感器灵敏度会降低。

(3).被测体厚度影响传感器灵敏度。钢等导磁性好的金属材料要求其厚度大于0.1mm ，铝等导磁性好的金属材料要求其厚度大于0.6mm.

(4).被测面应光洁、不应有洞眼、刻痕等，转速、鉴相测量可在被测面装凸台或开凹槽，位移测量一般要求被测面表面粗糙程度不超过0.8～1.6um,轴的径向振动测量一般要求被测面表面粗糙程度不超过0.4～0.8um 。

(5).两个探头的安装距离不能太近，否则两探头之间会通过电磁场互相干扰(如图2-6所示)，在输出信号上迭加两探头的差频信号，造成测量结果的失真，这种情况称之为相邻干扰。排除相邻干扰有关的因素：被测体的形状，探头的头部直径以及安装方式。通常情况下探头之间的最小距离见下表2-2与图2-6。

本系统的选型

探头选型为CZ600T-A01-B040-C08-D10-E01规格为Φ8mm，正装，有螺纹，系统电缆总长9M,电缆长度1M，壳体长度40mm,有铠装。

延伸电缆选型CZ600L-A40-B01电缆长度4M，有铠装。

前置器选型CZ600-A00-B02供电电压为+24V，输出信号为1 V～ 5V。

五、各原理框图的功能

1.电桥

电桥是一种电阻、电感电容等参数变化转换位电压或电流变化的测量电路。电桥输出一般需先做放大，然后再做后续处理。但有时也可用指示仪表直接测量。电桥电路电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为或电流的变化。图是电桥法的电原理图，图中线圈A和B为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。

2.检测电路

检测电路分为整流电路A、分压电路B和放大电路C。利用互感器对线圈回路的电压进行取样、压缩,并作为检测电路的输入UAC。UAC 经过整流电路A变换成直流电压,该电压经分压电路B分压后进入放大电路C。放大的电压值转化成4~20mA标准电流信号输入到PLC,微机系统则对从PLC采集到的标准电流信号进行滤波、线性变换处理得到线圈输出电压值。在线采集相关参数数值,包括线圈输出电压值、线圈距导体距离、导体温度,从而绘出线圈输出电压与各参数之间的曲线图