第四章 电涡流传感器本章学习电涡流传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性参数及应用。*1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，流 过电涡流线圈 的电流 i1 增大 。 Date2电涡流的应用在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉Date3集肤效应频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅 ，集肤效应越严重。 电涡流传感器工作原理:当高频（100kHz2MHz）信号源产生的高频电压施加到一个 靠近金属导体附近的电感线圈L1时，被测导体 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，这称为集肤效应。 Date4二、等效阻抗分析 检测深度与激励源频率有何关系？电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jL=f（f、r、x） 式中的r为表面因子。如果控制上式中的f、r不变，电涡流 线圈的阻抗Z就成为哪个变量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？ Date5等效阻抗与非电量的测量 检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡 流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f， 可控制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。 间距x的测量：如果控制上式中的f、r不变 ，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样 就成为非接触位移传感器。其他用途：如果控制x、f不变，就可以用来检测与 表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者 用来检测与材料磁导率有关的磁性材料型号、表面硬 度等参数。 Date6电磁炉内部的励磁线圈Date7电磁炉的工作原理高频电 流通过励磁 线圈，产生 交变磁场， 在铁质锅底 会产生无数 的电涡流， 使锅底发热 ，烧开锅 内 食 物。Date8第二节 电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形交变磁场Date9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电源指示灯7阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线 9电缆插头 Date10CZF-1系列传感器的性能 分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？ Date11大直径电涡流探雷器 Date12第三节 测量转换电路 一、调幅式（AM）电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压 (100kHz2MHz）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 对电涡流线圈的距离。Date13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？为什么？Date14二、调频（FM）式电路(100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时， 电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化。如果要用模拟仪表进 行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换 为电压Uo 。 Date15并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f 。（1pF1012F）Date16鉴频器在调频式电路中的应用 设电路参数如上页，计算电涡流线圈未接 近金属时的鉴频器输出 电压Uo0 ；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头的输出频率f 上升为 500kHz，f 为多少？输 出电压Uo为多少伏？Date17第四节 电涡流传感器的应用 一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属 表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使 振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化或振荡频率的变化，可地计算出与被检物 体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于 非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响， 可在各种恶劣条件下使用。Date18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。来自不同应用领 域的许多量都可归结 为位移或间隙变化。 数显位移测量仪及探头Date19420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）Date20齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）齐平式传感器安装时可以不高出安装 面，不易被损害。Date21V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式Date22V系列电涡流位移传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料） Date23某V系列电涡流位移传感器的机械图Date24四线制电涡流位移传感器的接线说明有的位移传感器同时具备两种动作输出状 态，可选择从高电压向低电压转变、和从低电 压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP 输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。Date25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、温度补补偿等措施。 Date26位移传感器的分类Date27偏心和振动检测Date28通过测量间隙来测量径向跳动Date29测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动 测量，须使用多个传感器。Date30测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度导向辊的材料可以用 金属制作吗？Date31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Date32测量封口机工作间隙间隙越大， 电涡流越小Date33测量注塑机开合模的间隙 间距Date34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，从而达到线性化的目的。Date35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？Date36二、振动测量用电涡 流探头、 调幅法测 量简谐振 动时，探 头的输出 波形。Date37调频法测量振动的波形Date38振动测量汽轮机叶片测试测量悬臂梁的 振幅及频率Date39电涡流探头接到图4-4所示的调幅测量 n叶片振动的幅度Xm为多少mm？n叶片振动的周期T及频率f为多少 Date40三、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 Date41各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置Date42齿轮转速测量例： 下图中，设齿数z =48，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速n 。Date43电动机转速测量Date44四、镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越 小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层 和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量 时对照。 Date45电涡流涂层厚度仪 Date46电涡流涂层 厚度仪原理Date47测量金属镀层或绝缘层厚度测量金 属镀层或绝 缘层厚度的 计算方法有 何区别？Date48五、电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设 置有发射线圈和接收 线圈。当有金属物体 通过时，交变磁场就 会在该金属导体表面 产生电涡流，会在接 收线圈中感应出电压 ，计算机根据感应电 压的大小、相位来判 定金属物体的大小。Date49安检门演示当有金属物体穿越 安检门时报警在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫 描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处 理的方法，可合成完整的光学图像。 Date50六、电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪油管探伤Date51滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴 承滚子表面微裂纹探 伤的专用设备，可探 出深 30m的表面微小裂纹。（参考无锡锡市通达滚滚子有限公司资料）Date52手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）Date53掌上型电涡流探伤仪Date54用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹Date55台式电涡流探伤仪Date56花瓣阻抗图Date57第五节 接近开关简介 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。 接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。 Date58接近开关外形 Date59接近开关外形 Date60接近开关外形（续） Date61一、常用的接近开关分类 常用的接近开关有电涡流式（以下简称电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式 、超声波式等。 Date62二、接近开关的特点 接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、体积小、安装、调整方便； 缺点是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。 Date63三.接近开关的主要性能指标： 额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。 Date64四、电涡流接近开关 （即：电感接近开关）的工作原理电感接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。Date65五、电涡流接近开关原理框图Date66六、常见接近开关的型号说明（摘自浙江洞头开关厂资料）Date67七、接近开关的术语解释（1）1.动作（检测）距离: 被测体按一定方式移 动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关 动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称 值。 2.设定距离：指整定距离，一般为额定动作距 离的0.8倍，以保证工作可靠。 3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时 的与被测物的距离，它略大于动作距离。4.回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值 。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等 的抗干扰能力就越强。Date68接近开关的检测距离与回差Date69接近开关的术语解释（2）标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为 正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。Date70不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）对于非磁性材料，被测体的电导率越高， 则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导 率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将 影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏 度通常较高。Date71接近开关的术语解释（3）接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。Date72接近开关的安装方式齐平式安装非齐平式安装Date73接近开关的术语解释（4）响应频率f ：按规定，在1秒的时间间隔内， 接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。响应时间t ：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。 可用公式换算： t=1/ fDate74响应频率及响应时间示意图Date75接近开关的术语解释（5）输出状态：常开/常闭型接近开关当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。对常闭