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一文看懂电涡流传感器(1)

传感器多种多样,玲琅满目,可供我们选择的有很多。电感涡流传感器等众多高性能传感器,被大量应用在各行各业。特别是机床行业,以及汽车制造等行业更是应用广泛,是国内外公认的具有发展前途的高技术产业。


电涡流传感器工作原理

 

电涡流效应

   

电涡流传感器是根据电涡流效应进行工作的,即利用金属导体置于变化的磁场中,产生感应电流,从而在金属体内形成自行闭合的电涡流线,这种现象称为电涡流效应。


电涡流传感器结构及特性


传感元件:电涡流探头


电涡流探头是一个固定在框架上的扁平线圈,激励源频率较高(数十千赫至数兆赫)。


传感器探头里有小型线圈,由控制器控制产生震荡电磁场,当接近被测体时,被测体表面会产生感应电流,而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。注意:电涡流传感器要求被测体必须是导体。



电涡流位移传感器测量技术的历史

 

*先发现电涡流现象的是Franois Arago (1786–1853),第25任法国总统,数学家,物理学家和天文学家。1824年,他率先发现并命名旋转磁场,以及绝大多数导体均可以被磁化。他的发现后来被Michael Faraday (1791–1867) 整理和*终完善。


1834年,Heinrich Lenz发布了楞次定律,感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。


法国物理学家Léon Foucault (1819–1868)于1855年发现,在磁场两级中间,旋转铜制圆盘所需要的力更大,于此同时,铜制圆盘受内部感生电涡流的作用而发热。


1879年David E. Hughes率先采用涡流技术进行了非接触测量,用于分拣金属被测物。


1980年,德国米铱公司率先将电涡流位移传感器用于工业生产环节检测


1988年,德国米铱公司发布了全球*小尺寸电涡流位移传感器,使得在安装空间受限的情况下,也可以采用电涡流原理获得精准的测量数据。


电涡流传感器的优点

 

1、涡流传感器是一种非接触的线性化计量工具,能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。电涡流传感器在测量过程中测量准确性会受到一定的影响。


2、传感器特性与被测体的电导率时,由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用于涡流效应,使得涡流效应减弱,即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料(如铜,铝,合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此传感器感应灵敏度要高。


3、不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加误差,因此对被测体表面应该平整光滑,不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um~0.8um之间;对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um~1.6um之间。


4、电涡流效应主要集中在被测体表面,如果由于加工过程中形成残磁效应,以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时,如果被测体表面残磁效应过大,会出现测量波形发生畸变。


电涡流传感器的分类

 

按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的。


高频反射式电涡流传感器



高频(>lMHz)激励电流,产生的高频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应,在金属板表面将形成涡电流。与此同时,该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈,引起线圈自感L或阻抗ZL的变化,其变化与距离、金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i,及角频率ω等有关,若只改变距离δ而保持其他系数不变,则可将位移的变化转换为线圈自感的变化,通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。


低频透射式电涡流传感器



低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈W1和接收线圈W2分别放在被测材料G的上下,低频电压e1加到线圈W1的两端后,在周围空间产生一交变磁场,并在被测材料G中产生涡流i,此涡流损耗了部分能量,使贯穿W2的磁力线减少,从而使W2产生的感应电势e2减小。e2的大小与G的厚度及材料性质有关,实验证明,e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按e2的变化便可测得材料的厚度。


电涡流式传感器的测量电路

 

利用电涡流式变换元件进行测量时,为了得到较强的电涡流效应,通常激磁线圈工作在较高频率下,所以信号转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。


调幅式(AM)电路



调频式(FM)电路


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,此频率可直接用计算机测量。


电涡流传感器的应用

 

电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。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进行在线测量和保护。



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