第5章电感式传感器27.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.3,电涡流式传感器,电涡流传感器是一种,非接触式的线性化计量工具,，在大型,旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。,电涡流传感器能准确测量被测体（必须是,金属,导体）与探,头端面之间静态和动态的相对位移变化。,电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温,度、速度、应力、材料损伤等被测量进行,非接触,式测量。,电涡流传感器目前主要应用于位移、振动、转速、厚度等,机械量测量,另外可测材料、测温度和电涡流探伤。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,测振动,测轴心轨迹,测厚,测转速,5.3,电涡流式传感器,5.3.1,电涡流效应,由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫,电涡流,，这种现象叫做,电涡流效应,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,形成电涡流必须具备的两个条件：,存在交变磁场,金属导体处于交变磁场中,5.3,电涡流式传感器,5.3.2,等效电路分析,把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流,I,1,时，线圈周围空间产生交变磁场,H,1,，,当金属导体靠近交变磁场时，导体内部就会产生涡流,I,2,，按照,楞次定律,，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化,产生反抗,H,1,变化,的交变磁场,H,2,。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。,5.3,电涡流式传感器,5.3.2,等效电路分析,根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个,单匝短路,的次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路，原线圈阻抗为,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,当线圈靠近金属导体时，初次级线圈通过互感相互作用,回路方程：,次级,初级,5.3,电涡流式传感器,5.3.2,等效电路分析,等效电感,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,解方程得到金属靠近后传感器（初级线圈）的等效阻抗,等效电阻,5.3,电涡流式传感器,5.3.2,等效电路分析,凡是引起次级线圈回路变化的物理量,R,2,、,L,2,、,M,均可以引起传感器线圈等效,R,1,、,L,1,的变化。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,M,L,2,R,2,R,1,L,1,讨论,：,显然,被测体的,电阻率,、,导磁率,、,线圈与被测体间的,距离,X,，激励线圈的,角频率,都通过涡流效应和磁效应与,线圈阻抗,Z,发生关系。,5.3,电涡流式传感器,5.3.2,等效电路分析,结论：,涡,流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系。,金属材料的,、,、,d,、,x,的变化都可以使初级线圈中的,R,1,、,L,1,发生变化。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗,Z,1,成为这个参数的单值函数。,利用金属中的磁导率、电阻率测材料,探伤；利用线圈与金属导体的距离测位移、测厚。,5.3,电涡流式传感器,5.3.3,涡流的强度和分布,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,因为金属存在,趋肤效应,，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，涡流区内各处的涡流密度不同,存在,径向分布,和,轴向分布,。,金属,扁平线圈,涡流区,r/r,os,1,h,r,os,j,径向分布,2,r,os,线圈外径确定后，涡流范围也就确定了。,r=,r,o,s,线圈外径处，金属涡流密度最大；,r=0,线圈中心处，涡流密度为零,(j=0),；,r 0.4r,os,处（以内）基本没有涡流；,r=1.8r,os,线圈外径处，涡流密度衰减到最大值的,5%,。,涡流范围与电涡流,线圈的外径,有一固定比例关系，,涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内,1.,涡流的分布,5.3,电涡流式传感器,5.3.3,涡流的分布和强度,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,轴向分布,由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场,H,方向（轴向）也是分布不均匀的。距离金属表面,Z,处,涡流按指数规律衰减,j,0,Z=0,处金属表面涡流密度,(,最大）,j,z,金属表面距离,Z,处的涡流,h ,趋肤深度,h,z,金属,扁平线圈,j,1.,涡流的分布,5.3,电涡流式传感器,5.3.3,涡流的分布和强度,2.,强度,当线圈与被测体距离改变时，电涡流,密度,发生变化，,强度,也要变化。根据线圈,-,导体系统，金属表面电涡流强度,I,2,与距离,x,是非线性关系，随,x/r,os,上升而下降。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,I,1,为线圈激励电流，,I,2,为金属导体中的等效电流（涡流）,x=0,处，,I,2,=I,1,；,x/r,os,=1,，,I,2,=0.3I,1,I,2,只有在,x/r,os,r,os,时电涡流很弱了，所以测大位移时线圈直径要大。,要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。,x/r,os,I,2,/I,1,1.0,1 2 3 4,5.3,电涡流式传感器,5.3.4,测量电路,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,1.,调幅式,L,为电涡流线圈,2.,调频式,电涡流线圈,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,电涡流传感器的应用主要是通过,位移变化,测量,其他各种物理量,（,1,）测厚：低频透射式涡流厚度传感器,高频反射式涡流厚度传感器,（,2,）测转速；,（,3,）测位移、测振动；,（,4,）电涡流探伤；,（,5,）金属零件计数、尺寸检测、光洁度检测。,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,1.,测厚（低频透射式涡流厚度传感器）,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈,L,1,和接收传感器线圈,L,2,，,L,1,加低频电压,U,1,时，,L,1,上产生交变磁通。,无金属板时，磁通直接耦合至,L,2,，,L,2,产生感应电压；,如果金属板放置两线圈之间，线圈,L,1,在金属板中产生电涡流，磁场能量受到损耗，使达到,L,2,的磁通减弱，最终使,L,2,上感应电动势减弱。,金属板越厚，涡流磁能损失越多，下线圈,L,2,上感应电动势输出,U,2,越小。通过测量,U,2,检测金属板的厚度。,透射式涡流传感器可检测,1,100mm,范围。,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,为克服带材不平或因振动引起的干扰，可采用两个电涡流传感器,S,1,、,S,2,分别放置在被测金属两侧，同时检测两个方向距离,X,1,、,X,2,。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,电涡流金属板、带材厚度测量,当厚度不变时，两传感器与上下表面距离,x,1,+x,2,=,常数,;,传感器输出电压之和（假设为,2U,），数值不变；,当厚度变化,时,输出电压,=2U,U,可,将,U,放大输出显示带材厚度变化。,实际应用时，,给定厚度,，当厚度变化时与厚度变化值,的代数和就是被测带材厚度。,1.,测厚（,高频反射式涡流厚度传感器）,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,2.,电涡流探伤,由于趋肤效应，导体表面电涡流密度最大，表面信息量最大，可采用电涡流传感器测量金属表面缺陷，当导体表面存在缺陷时会引起金属的电阻率,、磁导率,的变化；,可用于,金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤。,探伤时传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起涡流强度变化使电路输出电压变化。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,火车车轮裂纹检测,传感器安装,应覆盖车轮,裂纹输出信号,车轮周长,开始,结束,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,涡流轴心轨迹测量,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,轴心轨迹测量实验装置,轴心轨迹是转子运行时轴心的位置，忽略轴的圆度误差，可以将两个电涡流位移传感器探头安装为相互成,90,度，并调整好两个探头到主轴的距离（约,1.6mm,）。,调整时，使从前置电路输出的信号刚好为,0mV,，转子启动后两个传感器测量的就是它在两个垂直方向,(X,Y),上的瞬时位移，合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。,3.,轴心轨迹测量,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,5.,涡流转速测量,每分钟转速,N=,（,f/n,）,60,f,测出的频率,;n,齿数,4,.,涡流振动测量,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,机械振动测量含有,幅值、相位和频率,的信息。旋转机械的运动状态主要取决于核心,转轴,，而电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态，对诸如,转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹,及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。,电涡流传感器目前广泛应用于,电力、石油、化工、冶金等行业,对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴,的,径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学,研究和零件尺寸检验等。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,5.3,电涡流式传感器,5.3.5,电涡流传感器的应用,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,各种形式的电涡流传感器,本章要点：,差动变压器做位移测量可得到比例于机械位移的交流电压；,关于磁场、磁通、磁性体；,差动变压器的应用,差压传感器、位移传感器；,电涡流传感器,:,交流线圈接近金属物体时，金属物上产生“涡流”，,线圈越近，涡流越大；,电涡流传感器的应用,薄膜厚度测量、金属表面探伤、工件间距,离测定、钢水液面测量。,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,变磁阻式传感器（自感式）工作原理、,测量电路（转换电路）；,差动变压器式传感器（互感式）工作原理、等效电路及测量电路；,电涡流传感器的工作原理及应用,.,思考题：,5.1,什么叫电涡流效应？电涡流式传感器的基本工作原理是什么,?,5.2,电涡流式传感器的基本特性有哪些？,5.3,电涡流式传感器可以进行哪些物理量的检测？能否可测量非金属物体，为什么？,传感器原理及应用,第,5,章 电感式传感器,