电涡流式安全门

电涡流式安全门

苏满湖

一、前言

电涡流是一种古老的物理现象，随着近代电子技术的发展，人们利用电涡流效应发展了一种新型的无接触检测方法。电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量的线性范围大、不受油污等介质影响、抗干扰能力强等优点，在各个工业部门得到广泛的应用，用来测量位移、厚度、尺寸、振动、转速、压力、电导率、温度、硬度等参数以及探测金属表面的裂纹和缺陷。

多频检测技术是Libby（美国）于1970年首先提出的，该方法采用对电涡流检测线圈施加几个频率激励信号同时工作，能成功地抑制多个干扰因素，提取所需信号。电涡流传感器的工作原理是通过对处于检测线圈形成的电磁场中的工件及周围空间区域列出麦克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈的阻抗特性的变化与被检工件受影响因素之间的关系。即涡流检测线圈的阻抗可以用函数Z＝F（δ，μ，r，ω，U，d，t）表示。其中δ为电导率，μ为导磁率，r、t、d为尺寸因子，U、ω为激励源电压及频率。金属体中所产生的电涡流与电路激励源的频率有关，而且成非线性关系，即对应于不同的激励源频率线圈中电抗构成的函数互不相关。因此如果已知函数Z中某些参数或控制某些参数不变而施加n个不同频率的激励源，依靠得到的检测线圈不同的电压输出值就可以求得n个未知的待求量，即由n个独立的方程求解n个未知量，从而实现多频率多参数的检测。

二、电涡流传感器结构和工作原理

主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四或在氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式

1 线圈

2 框架

3 衬套

4 支架

5 电缆

6 插头

传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。

三、安检门原理

由晶振产生3.5-4.95M的正弦振荡，由分频器分频为7.6K左右正弦波，经三极管与线圈进行功率放大后输入门板(7区)大线圈进行电磁波发射，由门内1-6区线圈分别进行接收。接收后，将接收到的信号与基准信号进行了比较，发现变化后，改变采集卡输出电平，CPU在280毫秒内对6个区位采集卡数据进行扫描，判断金属所在区位并输出显示。

（1）结构 1、门板结构：由1个大线圈、6个小线圈、补偿线圈及石墨组成。

（2）探测时工作流程 CPU探测→一组红外被挡→检测各采集卡数据是否变化→报警→检测另一组红外→复位重新探测。

四、涡流传感器输出特性及探头安装间隙的确定

4.1传感器输出特性

电涡流传感器(探头+测量电路)的输出特性可用位移-电压曲线表示,其受到被测物体的材质和形状影响,对于某一材质的钢板传感器的输出特性可参考供应厂商的数据或是自行标定。整个函数是一非线性的,其函数特征为“S”型曲线,但可以选取它近似为线性的1段。见图4所示。图示的横坐标代表位移的变化;纵坐标代表传感器经测量电路输出电压的变化。理想位移-电压曲线是斜率恒定直线,直线的a-c段为线性区,即有效测量段, b点为传感器线性中点。

4.2 传感器探头安装间隙的确定

安装间隙即涡流传感器探头端面到被测体端面的距离。探头的正确安装是保证传感器系统可靠工作的先决条件。安装探头时,应考虑传感器的线性测量范围和被测间隙的变化量,当被测间隙总的变化量与传感器的线性工作范围接近时,这种情况应特别注意。通常测量振动时,将探头的安装间隙设在传感器的线性中点;测量位移时要根据位移往哪个方向变化或往哪个方向的变化量较大来决定其安装间隙的设定。当位移向远离探头头部的方向变化时,其安装间隙应设在传感器的线性近端;反之应设在线性远端。

钢板厚度相对于公称尺寸可能偏大可能偏小,钢板在前进的过程中也可能发生抖动,故安装间隙应设置在线性中点附近。

对于同种材质的钢板,安装间隙一旦确定,一般不会随意更改。被测钢板公称值有所变化时,应通过调节探头的位置以保证安装间隙。

五、传感器调节系统的设计

传感器探头经常会因被测钢板公称宽度、厚度的变化而在板宽方向、板厚方向作相应的调整。为实现方便调节,将2个传感器探头通过螺纹连接固定在弓形支架上,实现探头在板厚方向调节。再将弓形支架固定在丝杠螺母机构的螺母上,实现探头在板宽方向的调节。

参考文献:

[1] 余席桂,赵燕.测试技术[M].武汉:湖北科学技术出版社,1996.

[2] 袁希光.传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社, 1986.