自動檢測技術及運用梁森著.ppt

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第四章電渦流傳感器 本章學習電渦流傳感器的原理及應用 并涉及接近開關的原理 結構 特性參數(shù)及應用 2020 3 19 2 第一節(jié)電渦流傳感器工作原理 電渦流效應演示 當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時 電渦流線圈的等效電感L減小 等效電阻R增大 流過電渦流線圈的電流i1增大 電渦流的應用 在我們日常生活中經?？梢杂龅?干凈 高效的電磁爐 集膚效應 頻率f越高 電渦流的滲透的深度就越淺 集膚效應越嚴重 電渦流傳感器工作原理 當高頻 100kHz 2MHz 信號源產生的高頻電壓施加到一個靠近金屬導體附近的電感線圈L1時 被測導體表面就產生電渦流i2 i2在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的 而只集中在金屬導體的表面 這稱為集膚效應 二 等效阻抗分析 檢測深度與激勵源頻率有何關系 電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)表達式為 Z R j L f f r x 式中的r為表面因子 如果控制上式中的f r不變 電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個變量的單值函數(shù) 屬于接觸式測量還是非接觸式測量 等效阻抗與非電量的測量 檢測深度的控制 由于存在集膚效應 電渦流只能檢測導體表面的各種物理參數(shù) 改變f 可控制檢測深度 激勵源頻率一般設定在100kHz 1MHz 頻率越低 檢測深度越深 間距x的測量 如果控制上式中的f r不變 電渦流線圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數(shù) 這樣就成為非接觸位移傳感器 其他用途 如果控制x f不變 就可以用來檢測與表面電導率 有關的表面溫度 表面裂紋等參數(shù) 或者用來檢測與材料磁導率 有關的磁性材料型號 表面硬度等參數(shù) 電磁爐內部的勵磁線圈 電磁爐的工作原理 高頻電流通過勵磁線圈 產生交變磁場 在鐵質鍋底會產生無數(shù)的電渦流 使鍋底發(fā)熱 燒開鍋內食物 第二節(jié)電渦流傳感器結構及特性 電渦流探頭外形 交變磁場 電渦流探頭內部結構 1 電渦流線圈2 探頭殼體3 殼體上的位置調節(jié)螺紋4 印制線路板5 夾持螺母6 電源指示燈7 閾值指示燈8 輸出屏蔽電纜線9 電纜插頭 CZF 1系列傳感器的性能 分析上表請得出結論 探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關系 2020 3 19 12 大直徑電渦流探雷器 第三節(jié)測量轉換電路 一 調幅式 AM 電路 石英振蕩器產生穩(wěn)頻 穩(wěn)幅高頻振蕩電壓 100kHz 2MHz 用于激勵電渦流線圈 金屬材料在高頻磁場中產生電渦流 引起電渦流線圈兩端電壓的衰減 輸出電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的距離 部分常用材料對振蕩器振幅的衰減系數(shù) 人的手 泥土或裝滿水的玻璃杯能對振蕩器的振幅產生明顯的衰減嗎 為什么 二 調頻 FM 式電路 100kHz 1MHz 當電渦流線圈與被測體的距離x改變時 電渦流線圈的電感量L也隨之改變 引起LC振蕩器的輸出頻率變化 如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時 必須使用鑒頻器 將 f轉換為電壓 Uo 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 設電渦流線圈的電感量L 0 8mH 微調電容C0 200pF 求振蕩器的頻率f 1pF 10 12F 2020 3 19 17 鑒頻器在調頻式電路中的應用 設電路參數(shù)如上頁 計算電渦流線圈未接近金屬時的鑒頻器輸出電壓Uo0 若電渦流線圈靠近金屬后 電渦流探頭的輸出頻率f上升為500kHz f為多少 輸出電壓Uo為多少伏 第四節(jié)電渦流傳感器的應用 一 位移測量 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬量的電子器件 當金屬物體接近此感應面時 金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量 使振蕩器的輸出幅度線性地衰減 根據衰減量的變化或振蕩頻率的變化 可地計算出與被檢物體的距離 振動等參數(shù) 這種位移傳感器屬于非接觸測量 工作時不受灰塵等因素的影響 可在各種惡劣條件下使用 位移測量儀 位移測量包含 偏心 間隙 位置 傾斜 彎曲 變形 移動 圓度 沖擊 偏心率 沖程 寬度等 來自不同應用領域的許多量都可歸結為位移或間隙變化 數(shù)顯位移測量儀及探頭 2020 3 19 20 4 20mA電渦流位移傳感器外形 參考德國圖爾克公司資料 齊平式電渦流位移傳感器外形 參考德國圖爾克公司資料 齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面 不易被損害 2020 3 19 22 V系列電渦流位移傳感器外形 參考浙江洞頭開關廠資料 齊平式 2020 3 19 23 V系列電渦流位移傳感器性能一覽表 摘自洞頭開關廠資料 2020 3 19 24 某V系列電渦流位移傳感器的機械圖 四線制電渦流位移傳感器的接線說明 有的位移傳感器同時具備兩種動作輸出狀態(tài) 可選擇從高電壓向低電壓轉變 和從低電壓向高電壓轉變兩種方式 分別稱為NPN和PNP輸出模式 俗稱為常開輸出或常閉輸出模式 電渦流位移傳感器的應用 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響 例如金屬材料的厚度 尺寸 形狀 電導率 磁導率 表面因素 距離等 因此電渦流傳感器的應用領域十分廣泛 但也同時帶來許多不確定因素 一個或幾個因素的微小變化就足以影響測量結果 所以電渦流傳感器多用于定性測量 在用作定量測量時 必須采用逐點標定 計算機線性糾正 溫度補補償?shù)却胧?2020 3 19 27 位移傳感器的分類 2020 3 19 28 偏心和振動檢測 2020 3 19 29 通過測量間隙來測量徑向跳動 2020 3 19 30 測量彎曲 波動 變形 對橋梁 絲桿等機械結構的振動測量 須使用多個傳感器 測量金屬薄膜 板材厚度電渦流測厚儀 測量冷軋板厚度 導向輥的材料可以用金屬制作嗎 2020 3 19 32 測量尺寸 公差及零件識別 通過測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移 2020 3 19 33 測量封口機工作間隙 間隙越大 電渦流越小 2020 3 19 34 測量注塑機開合模的間隙 間距 位移的標定方法 使用千分尺 逐一對照測量電路的輸出電壓及數(shù)顯表讀數(shù) 列出對照表 存入計算機 從而達到線性化的目的 電渦流位移傳感器的距離與輸出電壓特性曲線 1 2 3的量程和線性范圍各為多少mm 二 振動測量 用電渦流探頭 調幅法測量簡諧振動時 探頭的輸出波形 2020 3 19 38 調頻法測量振動的波形 2020 3 19 39 振動測量 汽輪機葉片測試 測量懸臂梁的振幅及頻率 2020 3 19 40 電渦流探頭接到圖4 4所示的調幅測量 葉片振動的幅度Xm為多少mm 葉片振動的周期T及頻率f為多少 2020 3 19 41 三 轉速測量 若轉軸上開z個槽 或齒 頻率計的讀數(shù)為f 單位為Hz 則轉軸的轉速n 單位為r min 的計算公式為 2020 3 19 42 各種測量轉速的傳感器及其與齒輪的相對位置 2020 3 19 43 齒輪轉速測量 例 下圖中 設齒數(shù)z 48 測得頻率f 120Hz 求該齒輪的轉速n 2020 3 19 44 電動機轉速測量 四 鍍層厚度測量 由于存在集膚效應 鍍層或箔層越薄 電渦流越小 測量前 可先用電渦流測厚儀對標準厚度的鍍層和銅箔作出 厚度 輸出 電壓的標定曲線 以便測量時對照 電渦流涂層厚度儀 2020 3 19 47 電渦流涂層厚度儀原理 2020 3 19 48 測量金屬鍍層或絕緣層厚度 測量金屬鍍層或絕緣層厚度的計算方法有何區(qū)別 五 電渦流式通道安全檢查門 安檢門的內部設置有發(fā)射線圈和接收線圈 當有金屬物體通過時 交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流 會在接收線圈中感應出電壓 計算機根據感應電壓的大小 相位來判定金屬物體的大小 2020 3 19 50 安檢門演示 當有金屬物體穿越安檢門時報警 在安檢門的側面還安裝一臺 軟x光 掃描儀 它對人體 膠卷無害 用軟件處理的方法 可合成完整的光學圖像 2020 3 19 51 六 電渦流表面探傷 手持式裂紋測量儀 油管探傷 滾子渦流探傷機 滾子渦流探傷機是由計算機控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設備 可探出深30 m的表面微小裂紋 參考無錫市通達滾子有限公司資料 2020 3 19 53 手提式探傷儀外形 參考廈門愛德華檢測設備有限公司資料 2020 3 19 54 掌上型電渦流探傷儀 2020 3 19 55 用掌上型電渦流探傷儀檢測飛機裂紋 2020 3 19 56 臺式電渦流探傷儀 2020 3 19 57 花瓣阻抗圖 第五節(jié)接近開關簡介 接近開關又稱無觸點行程開關 它能在一定的距離 幾毫米至幾十毫米 內檢測有無物體靠近 當物體與其接近到設定距離時 就可以發(fā)出 動作 信號 接近開關的核心部分是 感辨頭 它對正在接近的物體有很高的感辨能力 2020 3 19 59 接近開關外形 2020 3 19 60 接近開關外形 2020 3 19 61 接近開關外形 續(xù) 一 常用的接近開關分類 常用的接近開關有電渦流式 以下簡稱電感接近開關 電容式 磁性干簧開關 霍爾式 光電式 微波式 超聲波式等 二 接近開關的特點 接近開關與被測物不接觸 不會產生機械磨損和疲勞損傷 工作壽命長 響應快 無觸點 無火花 無噪聲 防潮 防塵 防爆性能較好 體積小 安裝 調整方便 缺點是觸點容量較小 輸出短路時易燒毀 2020 3 19 64 三 接近開關的主要性能指標 額定動作距離 工作距離 動作滯差 重復定位精度 重復性 動作頻率等 四 電渦流接近開關 即 電感接近開關 的工作原理 電感接近開關由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成 金屬物體在接近辨頭時 表面產生渦流 這個渦流反作用于接近開關 使接近開關振蕩能力衰減 內部電路的參數(shù)發(fā)生變化 由此識別出有無金屬物體接近 進而控制開關的通或斷 這種接近開關所能檢測的物體必須是導電性能良好的金屬物體 2020 3 19 66 五 電渦流接近開關原理框圖 2020 3 19 67 六 常見接近開關的型號說明 摘自浙江 洞頭開關廠資料 七 接近開關的術語解釋 1 1 動作 檢測 距離 被測體按一定方式移動時 從基準位置 接近開關的感應表面 到開關動作時測得的基準位置到檢測面的空間距離的標稱值 2 設定距離 指整定距離 一般為額定動作距離的0 8倍 以保證工作可靠 3 復位距離 接近開關動作后 又再次復位時的與被測物的距離 它略大于動作距離 4 回差值 動作距離與復位距離之間的絕對值 回差值越大 對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就越強 2020 3 19 69 接近開關的檢測距離與回差 接近開關的術語解釋 2 標準檢測體 可與現(xiàn)場被檢金屬作比較的標準金屬檢測體 標準檢測體通常為正方形的A3鋼 厚度為1mm 所采用的邊長是接近開關檢測面直徑的2 5倍 不同材料的金屬檢測物對電渦流接近開關動作距離的影響 以Fe為參考金屬 對于非磁性材料 被測體的電導率越高 則靈敏度越高 被測體是磁性材料時 其磁導率將影響電渦流線圈的感抗 其磁滯損耗還將影響電渦流線圈的Q值 磁滯損耗大時 其靈敏度通常較高 接近開關的術語解釋 3 接近開關的安裝方式 分齊平式和非齊平式 齊平式 又稱埋入型 的接近開關表面可與被安裝的金屬物件形成同一表面 不易被碰壞 但靈敏度較低 非齊平式 非埋入安裝型 的接近開關則需要把感應頭露出一定高度 否則將降低靈敏度 2020 3 19 73 接近開關的安裝方式 齊平式安裝 非齊平式安裝 接近開關的術語解釋 4 響應頻率f 按規(guī)定 在1秒的時間間隔內 接近開關動作循環(huán)的最大次數(shù) 重復頻率大于該值時 接近開關無反應 響應時間t 接近開關檢測到物體時刻到接近開關出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉的時間之差 可用公式換算 t 1 f 2020 3 19 75 響應頻率及響應時間示意圖 接近開關的術語解釋 5 輸出狀態(tài) 常開 常閉型接近開關當無檢測物體時 對常開型接近開關而言 由于接近開關內部的輸出三極管截止 所接的負載不工作 失電 當檢測到物體時 內部的輸出級三極管導通 負載得電工作 對常閉型接近開關而言 當未檢測到物體時 三極管反而處于導通狀態(tài) 負載得電工作 反之則負載失電 接近開關的術語解釋 6 常用的輸出形式有 NPN二線 NPN三線 NPN四線 PNP二線 PNP三線 PNP四線 DC二線 AC二線 AC五線 帶繼電器 等幾種 讀者可查閱以下有關資料 2020 3 19 78 輸出形式 1 4 負載 負載 藍 藍 藍 藍 2020 3 19 79 輸出形式 5 8 負載 負載 負載 接近開關的術語解釋 7 導通壓降 接近開關在導通狀態(tài)時 開關內部的輸出三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓降 一般情況下 導通壓降約為0 3V 2020 3 19 81 導通壓降 0 3V 接近開關的接線方法舉例 以NPN 常開型為例來說明接線方法 OUT端與GND端的壓降Uces約為0 3V 流過KA的電流IKA VCC 0 3 RKA 若IKA大于KA的額定吸合電流 則KA能夠可靠吸合 請按接線圖將各元件正確地連接起來 接近開關使用注意事項 1 請勿將電感接近開關置于0 02T以上的磁場環(huán)境下使用 以免造成誤動作 2 為了保證不損壞接近開關 請用戶在接通電源前檢查接線是否正確 核定電壓是否為額定值 3 為了使接近開關長期穩(wěn)定工作 請務必進行定期的維護 包括被檢測物體和接近開關的安裝位置是否有移動或松動 接線和連接部位是否接觸不良 是否有金屬粉塵粘附等 4 DC二線制接近開關具有0 5 1mA的靜態(tài)泄漏電流 在一些對泄漏電流要求較高的場合下 可改用DC三線制接近開關 5 接近開關使用電感性負載時 務必在負載兩端并接續(xù)流二極管 以免損壞接近開關輸出級 2020 3 19 85 休息一下