第四章电涡流传感器

教师授课方案

授课班级 课课节 题 09D电气1、电气2 （首页）

授课日期 2 课堂类型 讲授 第四章 电涡流传感器 第一节电涡流传感器的工作原理 第二节电涡流传感器的结构与特性 第三节测量转换电路 第四节电涡流传感器的应用 第四节电涡流接近开关 【知识目标】1、了解电涡流传感器的工作原理2、掌握电涡流传感器的 测量转换电路（AM、FM）3、了解电涡流传感器的应用4、电涡流式接 近开关的原理、结构、特性参数、应用及掌握接线方法。 【能力目标 】培养学生NPN、PNP常开、常闭接线的技能及理论联系 实际的能力。 【职业目标 】通过学生理论及技能的学习，培养学生爱岗敬业的情感目标。 重点：1、掌握电涡流传感器的测量转换电路（AM、FM）2、电涡流式 接近开关的接线 难点：电涡流式接近开关NPN、OC门常开输出电路 教学目的 与要求 重点难点 教具：微波炉、电涡流传感器、多媒体课件、习题册 教具教学教学辅助活动：提问、学生讨论 辅助活动 复习 1、了解电涡流传感器的工作原理 2、掌握电涡流传感器的测量转换电路（AM、 FM） 3、了解电涡流传感器的应用 4、电涡流式接近开关的原理、结构、特性参 数、应用及掌握接线方法。 利用10分钟时间与学生互动答疑 分钟 一节教学过程安排 讲课 78分钟 小结 作业 10分钟 2分钟 习题册 第四章电涡流传感器习题 任课教师：叶睿 2011年1月20日

审查教师签字： 年 月 日 教案附页

【复习提问】 上节课知识点： 因上节课做过阶段性复习 第四章 电涡流式传感器 第一节 电涡流传感器的工作原理 【本节内容设计】 通过课件与教师讲授电涡流效应及肌肤效应，掌握电涡流传感器的工作原理、并举例电磁炉的工作加以巩固。 【授课内容】 一、电涡流效应以及集肤效应 金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。 当高频（100kHz左右）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，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流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（也称趋肤效应）。 二、结论：如果控制上式中的f、、σ、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。 如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率σ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μ有关的材料型号、表面硬度等参数。 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，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。 第二节 传感器的结构及特性 【本节内容设计】 通过课件与教师简介电涡流传感器的探头及特性 【授课内容】 一、电涡流探头结构 电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。激励源频率较高（数十千赫至数兆赫）。 1－电涡流线圈 2－探头壳体 3－壳体上的位置调节螺纹 4－印制电路板 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 二、特性 探头的直径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。举例：大直径电涡流探雷器定性测量。探头的直径越大，测量范围也越大，分辨力越差，灵敏度越低。 三、被测体材料、形状、大小对灵敏度的影响 1、被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径大于线圈直径的2倍以上，否则将使灵敏度降低；被测体为轴状圆柱体的圆弧表面时，它的直径应大于线圈直径的4倍以上。 2、被测物体厚度为0.2mm 3、测量时，尽量避开其它导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。 第三节 传感器的测量转换电路 【本节内容设计】 通过课件与教师讲授电涡流传感器的测量转换电路重点使学生掌握（AM、FM）两种转换电路。应用、以及电涡式接近开关，重点使学生掌握测量转换电路、电涡流式接近开关的接线。 【授课内容】 一、调幅式转换电路（AM） 1、谐振时： 石英振荡器产生稳频稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励 电涡流线圈。金属材料远离探头，调节C0，产生谐振输出较大Uo 2、被测体靠近探头时： 在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高 放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡 流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。 被测体可以是导磁性物体也可以是非导磁性物体，与探头间距越 小，输出电压就越低。 缺点是：不是线性关系，必须用千分尺逐点标定后经计算机线性化 处理用数码管显示。 温漂较大，需要采取补偿电路。 定频调幅式测量转换电路 二、调频式电路（FM） 在电涡流传感器中，以LC振荡器的频率f作为输出量。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，此频率可以通过F／V转换器（又称为鉴频器），将f转换为电压Uo，由表头显示出电压值。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机的计数/定时器，测量出频率的变化。鉴频器特性如图所示。 调频式测量转换电路原理框图及特性 a）信号流程 b）鉴频器特性 第四节 电涡流传感器的应用 【本节内容设计】 通过课件与教师讲授电涡流传感器的应用。 【授课内容】 电涡流探头线圈的阻抗受众多因素影响，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。只要固定一个量就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。应用十分广泛，属于定性测量。 如果要做定量测量，也要用到前面学习的逐点标定、计算机线性 纠正。本节课就位移、振动、转速、镀层厚度、安全检查门、表面探 伤六个应用加以学习。 一、 位移测量 测量过程 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源 后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。 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，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，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。 三、 振动测量 测量过程： 用多个传感器放在机械不同部位检测，得到各个位置的振幅值和相位值，画出振动波形图，由频谱仪分析输出波形的振幅及频率，频谱仪在第九章学习。 三、转速测量 测量过程： 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： n60f z 图4－8 转速测量 a）带有凹槽的转轴及输出波形 b）带有凸槽的转轴及输出波形 1－传感器 2－被测物 四、 镀层厚度测量 测量过程： 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。 五、安全门检查 测量过程 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，10KHz的音频信号产生的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。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。 六、表面探伤 测量过程： 检查金属表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器应与被测导体保持距离不变。由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流变小，从而引起输出电压的变化。 第五节 接近开关及应用 【本节内容设计】 通过课件与教师讲授电涡式接近开关，重点使学生掌握电涡流式接近开关的接线。 【授课内容】 接近开关又称无触点开关，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，就发出动作信号，多数能直接驱动中间继电器。 用于高速计数、测速，确定物体存在和位置，测量物体和液位，用于人体保护和防盗以及无触点按钮。 一、接近开关的特点： 与机械开关相比，接近开关具有如下特点：①非接触检测，不影响被测物的运行工况；②不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；③响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；④采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；⑤无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）；⑥输出信号大，易于与计算机或PLC等接口；⑦体积小，安装、调整方便。它的缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁。 二、 接近开关的分类 自感式、差动变压器式：对导磁物体 电涡流式：对导电良好的金属 电容式：对接地的金属或地电位的导电物体 磁性干簧开关（干簧管）：对磁性较强的物体 霍尔式：对磁性物体 光电传感器、微波和超声波传感器属于电子 开关，检测距离可较大。 接近开关的主要性能指标 （1）额定动作距离 在规定的条件下所测定到的接近开关的动作距离（单位为mm）； （2）工作距离 接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离内，不产生误动作； （3）动作滞差 指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就强； （4）重复定位精度(重复性) 它表征多次测量动作距离。其数值的离散性的大小一般为动作距离的1%～5%。离散性越小，重复定位精度越高。 （5）动作频率 指每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物个数或次数。 四、接近开关的规格及接线方式 接近开关的一种典型三线制接线方式 引线的颜色： 棕色引线为正电源（18～35V）；蓝色接地（电源负极）；黑色为输出端。 接近开关的一种典型三线制接线方式及特性 a）三线制接近开关 b）NPN、OC门常开输出电路接法 分析工作过程： 当被测物体未靠近接近开关时，UB=0，IB=0，OC门截止，OUT端为高阻态（接入负载后为接近电源电压的高电平）；当被测体靠近到动作距离（xnin）时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平（约0.3V）。将中间继电器KA跨接在+VCC与OUT端上时，KA就处于吸合（得电）状态。 当被测物体远离该接近开关，到达xmax时，OC门再次截止，KA失电。通常将接近开关设计为具有“施密特特性”，Δx为接近开关的动作滞差（也称为“动作回差”）。回差越大，抗机械振动干扰的能力就越强。 接续流二极管的原因 工作过程中，若续流二极管VD虚焊或未接，当接近开关复位的瞬间，KA产生的过电压（e=-N di/dt）有可能将OC门击穿。 注意事项： 如果不慎将+VCC与OUT端短接，在接近开关动作时，就会有过电流流入OC门的集电极，并可能将其烧毁。 五、 接近开关的应用 1、生产工件加工定位与计数 待加工的金属工件运送到5时，该接近开关动作，传送机构减速；工件到6时，接近开关动作，传动带停止，同时，接近开关动作一次，计数一次。 2、成品零件缺位检测在流水线的最后一道工序，安装一套多种微型开关的装置，位置与被检测零件位置对应，调节每个接近开关的灵敏度，缺少零件时报警。 [知识小结]: 通过对电涡流式传感器的原理、测量转换电路、应用以及接近开关的学习，学生掌握AM、FM测量转换电路以及接近开关的接线方法。 [教学后记]:通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习. [板书设计]:如下 第四章 电涡流传感器 第一节 电涡流传感器的原理 一、电涡流与集服效应 二、原理及举例 第二节电涡流传感器规格、特性 一、规格 二、特性 第三节 测量转换电路 一、AM 二、FM 第四节电涡流传感器的应用 知识小结

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