自动检测技术及应用第四章电涡流传感器

2:1和4:3及8:5时李萨如图形的动画演示
振幅、周期、频率的计算
叶片振动的周期T 为多少ms，频率f 为多少Hz？ 叶片振动的幅度A为多少mm？
A
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
n 60 f z
电涡流位移传感器的标定
在标定区域里，共设置多个测量点。首先调节千分 尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，使 探头与试件刚好接触，计算机测得探头绝对零位的输 出电压。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，每 隔设定的位移（例如0.8mm），测量电涡流传感器的 输出电压。
电涡流位移传感器的标定过程示意图
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、温度补偿等措施。
一、调幅（AM）式电路
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反映了金属体与电 涡流线圈的间距。
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？
1—正程数据（黑点☻） 2—正程折线（细实线） 3—回程数据（空心圆圈☺） 4—回程折线（虚线） 5—计算机拟合曲线（粗实线）
4~20mA电涡流位移传感器外形
齐平式电涡流位移传感器外形
齐平式传感器安装时可以不高出安装 面，不易被损害。
V系列电涡流位移传感器外形
齐平式
V系列电涡流位移传感器性能一览表
偏心和振动检测
电涡流探头
通过测量间隙来测量径向跳动
电涡流探头
测量弯曲、波动、变形
交变磁场 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个 电涡流传感器，但工作频率必须错开。
测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪
导向辊
测量冷轧板厚度
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
第三节 电涡流传感器的测量转换电路
一种为调幅（AM）式电路，
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另一种为调频电路（PM）。
AM：用低频信号去调制高频载波的振幅，使其振幅 按低频调制信号的规律而变化。
PM：用低频信号去调制高频载波的频率，使其频率 按低频调制信号的规律而变化。其幅度虽然也有变化，
必须经过双向限幅器，才能变 为等幅波，后级电路可以用 “鉴频器”来鉴别载波的频率 变化，重新得到所包含的低频 信号。也可以接到单片机的计 数端，由单片机计算出被测量。
圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图
a）直流电流时的均匀分布 b）中频电流时中心部位电密度减小 c）高频电流时，电流线趋向表面分布
二、电涡流线圈等效阻抗分析
设电涡流线圈在高频时的等效电阻为R1（大 于直流电阻），电感为L1。当有被测导体靠近 电涡流线圈时，则被测导体等效为一个短路环， 电涡流线圈L1与导体之间存在一个互感M。互 感随线圈与导体之间距离的减小而增大。
壳体 螺纹
/mm
线性 最佳安装
范围
距离
/mm /mm
最小 被测面 分辨力
/mm /μm
5 M8×1
1
0.5
15
1
11 M14×1.5 4
2
35
4
25 M16×1.5 8
4
70
8
50 M30×2 25
12
100
10
探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？
电涡流线圈的直径越大，探测范围就越 大——电涡流探雷器
4.2 电涡流传感器的结构及特性 进入 4.3 电涡流传感器的测量转换电路 进入 4.4 电涡流传感器的应用 进入
4.5 接近开关及应用
进入
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，Q值降低， 流过电涡流线
第四章 电涡流传感器
本章介绍电涡流效应、趋肤效应、电涡流 传感器的原理、电涡流探头结构、特性、调 幅、调频转换电路，电涡流线性位移传感器、 安检门、裂纹检测等的应用，介绍接近开关 的概念、分类、特性、结构、工作原理、特 性参数及其应用。
第四章 电涡流传感器 目录
4.1 电涡流传感器的工作原理 进入
设鉴频器电路的初始频率f0=1MHz， 该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝 质金属板靠近时，输出电压如何变化？
第四节 电涡流传感器的应用
一、位移测量
电涡流位移传感器的输出为模拟量，例如：
0~5V。当金属物体接近探头的感应面时，金属 表面吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振
荡器的输出幅度衰减或频率变化，单片机根据
测量封口机工作间隙
电涡流探头
间隙越大， 电涡流越小
测量注塑机开合模的间隙
间距
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 流调幅法测 量简谐振动 时，输出为 典型的调幅 波形
检波二极管仅让正半周信号通过
检波后，得到正半周，低通滤波器滤除载波后，得 到被测振动的各项参数：振幅、周期、频率、失真等。
电涡流在日常生活中的应用——电磁炉
干净、 高效的 电磁炉
铁磁材料制作的锅具底部既有较大的磁滞损 耗,又能产生较大的电涡流,才能产生较大的热量
锅具与励磁线圈的距离增大时，电涡流减小， 产生报警信号，停止励磁。
电磁炉工作原理框图
2019/5/19
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电磁炉内部的励磁线圈
电涡流在工业中的应用——中频炉
1—旋转设备（汽轮机） 2—主轴 3—联轴器 4—电涡流探头 5—夹紧螺母 6—发电机 7—基座
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 达到线性化和曲线拟合的目的。
电涡流位移传感器的静态位移标定设备
1—探头夹具 2—电涡流探头 3—标准圆片状试件 4—千分尺测杆 5—千分尺套筒 6—套筒定螺钉 7—千分尺 8—底座 9—水平调节垫脚
李萨如（Jules Antoine Lissajous）图形
振动传感器的输出接到示波器的Y轴上，信号发生器 的输出接到示波器的X轴上，示波器的光点的运动轨迹 就是李萨如图形。如果两个信号的频率相同，光点的 轨迹为一个椭圆。整数倍比例时,光点的轨迹见2:1、 3:1、3:2等图形,李萨如图形与两个信号的相位差有关。
Q初始
Q值越大，曲线越尖锐，后级检测电路得到的 电压就越高。
电涡流用于其他非电量的测量
如果控制间距δ不变，就可以用来检测与表面
电导率σ 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μ有关的磁性特性、 表面硬度等参数。
表面温度升高，电导率σ 降低； 表面有裂纹时，电涡流减小。 检测深度的控制：电涡流线圈的激励频率一 般设定在100kHz~1MHz。频率越低，有效测量 距离越大，能够检测被测金属体内部参数的深 度也越深。
电工钢（硅钢、矽钢）具有较大的电阻率和磁通 密度，较小的纠顽力、电导率、剩磁和铁芯损
耗 ，减小了变压器的损耗，提高了效率。
软磁铁氧体具有较大的电阻率，所以电涡流损 耗较小。与硅钢比较，在中频时还能有较高的磁 导率。但是单位体积中储存的磁能较低，饱合磁 化强度也较低（只有纯铁的1/5），因而不适合 用于低频领域，而广泛应用于在1MHz以下的逆变 电源中。
振动测量
a）径向振动测量 b）长轴多线圈测量 c）叶片振动测量 1－电涡流线圈 2－被测物
调频法测量振动的波形
振动测量
测量悬臂梁的 振幅及频率
汽轮机叶片参数的检测
叶片共振法振动测量波形
汽轮机叶片的激振测量示意图
可以用激振小锤敲击叶片根部，利用李萨如（李沙 茹）图形法测量汽轮机叶片的共振频率。而现在更多 地利用计算机直接计算出振动信号的多项参数。
第二节 电涡流传感器结构及特性
电涡流探头外形及 调理电路前置器
交变磁场
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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 7—阈值指示灯 8—输出屏蔽电缆线 9—电缆插头
YD9800系列电涡流位移传感器特性
线圈
直径
φ/mm
10T
转速传感器与齿轮的相对位置
齿轮转速测量的计算
例： 设齿数z =48，测得频率 f=120Hz，
求：该齿轮的转速n 。 解：n =60f / z=60×120÷48=7200÷48
将工频50HZ交流电转变为直流电，再逆变 为中频（300HZ以上至1000HZ）电压，接到 中频炉的中频绕组两端，在绕组中产生高密度 的交变磁力线，耐高温容器里盛放的金属原料 内部产生很大的电涡流，使金属的温度升高， 甚至融化。中频炉广 泛用于有色金属的 熔炼、淬火或锻压。
中频 功率源
趋肤效应（集肤效应）
圈的电流 i1 增 大。
交变励磁引起铁心的 涡流损耗 Pe
减小变压器铁损耗的方法：
（1）使用软磁材料减小Ph ； （2）增大铁心的电阻率，
减小涡流及其损耗 ；
（3）用很薄的互相绝缘的硅钢 片（0.1mm）叠成铁心，每一片 硅钢片内部的电涡流需要走较长 的扁形路线，减小了电涡流损耗 。
Φ 电涡流大
Φ 电涡流小
.
影响电涡流线圈等效阻抗的因数
电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z由两部分构 成，即等效电感L和等效电阻R串联而成：
Z=R+jωL=f(f、μ、σ、r、δ ) 上式中的μ、σ为金属导体的磁导率和电导率，r为表 面因子，包括粗超度、沟痕、裂纹等。
如果控制上式中的f、μ、σ、r不变，电涡流线圈的阻 抗Z 就成为线圈与被测金属体的间距δ的单值函数，属 于非接触式测量。
百度文库 并联谐振回路的谐振频率
f 1 2π LC0
设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调
电容C 0 =200pF， （1pF＝10-12F） 求：探头中的振荡器的初始频率f 0 。 （一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）
解：
f
1
=560kHz
2π 0.8 10-3 100 10-12
鉴频器特性曲线
当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈 与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，Q值降 低，等效电阻R增大。由于线圈的感抗XL的减小比R的 增大大得多，故此时流过电涡流线圈的电流i1增大。
电涡流线圈的等效阻抗
Z

U1 I1

[R1

R2
R22
2M 2
L2
2
]

j[L1

L2
R22
2M 2
L2
2
]

R

jL
式中 R、L——电涡流线圈靠近被测导体时的等效电 阻和等效电感。
当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈 与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，等效电 阻R增大，品质因数Q值降低：
Q=ω L/R 等效电阻上消耗的有功功率P 增大：
P=I 2R
电涡流线圈在不同情况下的品质因数
定频调幅式电路的幅频曲线
4根曲线与f0的交点决定调幅电路的输出电压
0－探头与被测物间距很远时 1－非磁性金属、间距较大时 2－非磁性金属、间距较小时（Q值降低） 3－磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）
二、调频（FM）式电路
当电涡流线圈与被测体的距离x 变小时，电涡流线 圈的电感量L 也随之变小（非铁质），同时引起LC 振 荡器的输出电压及频率变高。如果希望用模拟仪表进 行显示或记录时，使用“鉴频器”，可以将 f 转换为 电压Uo 。
当100kHz～2MHz信号源产生的交变电压施加 到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1 ，在线
圈周围产生交变磁场Φ 。如果将线圈靠近一块金
属导体，金属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，这称为趋肤效应。
交变磁场的频率f 越高，电涡流的渗透深度 就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应 来控制非电量的检测深度。
ΔUo或Δf，可以计算出与被检测物体的距离、振 动频率等参数。电涡流位移传感器属于非接触
测量器件，工作时不受灰尘、油污等因素的影
响。
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位移传感器的分类
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。
数显位移测量仪 探头
电涡流位移传感器用于轴向位移的监测