《传感器及应用》电涡流式传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》电涡流式传感器-讲义 知识点一 基本工作原理 电涡流：金属导体置于变化的磁场中，导体内会产生感应电流，这种电流在金属体内自行闭合。 电涡流式传感器的工作原理：涡流效应，电涡流的产生要消耗一部分磁场能量，从而使激励线圈的阻抗发生变化。 电涡流式传感器的基本原理示意图如图1所示。 图1 电涡流式传感器基本原理示意图 一个通有交变电流的传感线圈，由于电流的周期性变化，在线圈周围就产生一个交变磁场。如被测导体置于该磁场范围之内， 被测导体便产生涡流，电涡流也将产生一个新的磁场。 和方向相反，由于磁场的反作用使通电线圈的等效阻抗发生变化。 当金属导体靠近线圈时，金属导体产生涡流的大小与金属导体的电阻率、磁导率、厚度、线圈与金属导体间的距离以及线圈激励电流的大小和角频率等参数有关。如固定其中某些参数，就能按涡流的大小测量出另外一些参数。 简化问题：把金属导体理解为一个短路线圈，用表示这个短路线圈的电阻；用表示它的电感；用M表示它与空心线圈之间的互感。假设电涡流空心线圈的电阻与电感分别为和，就可画出如图2所示的等效电路。 图2 等效电路 电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗为: 式中：R——电涡流线圈工作时的等效电阻； L——电涡流线圈工作时的等效电感。 从式中可知，等效电阻、等效电感都是互感系数平方的函数。当测距范围较小时才能保证一定的线性度。 电涡流式传感器是利用（ ）来工作的 A. 电磁感应原理 B. 光电效应 C. 霍尔效应 D. 压电效应 【答案】A 【解析】电涡流式传感器的基本工作原理是基于电磁感应，当金属导体靠近交变磁场时，会在导体表面产生电涡流，进而影响原磁场，通过检测这种变化来进行测量。 1. 电涡流产生的磁场方向与（ ） A. 原磁场方向相同 B. 原磁场方向相反 C. 与原磁场方向无关 D. 根据具体情况而定 【答案】B 【解析】根据楞次定律，电涡流产生的磁场总是阻碍引起它的原磁场的变化，所以电涡流产生的磁场方向与原磁场方向相反。 2. 电涡流式传感器能检测的材料主要是（ ） A. 塑料 B. 木材 C. 金属 D. 陶瓷 【答案】C 【解析】电涡流式传感器主要是利用金属在交变磁场中产生电涡流的原理工作，塑料、木材、陶瓷等一般不能产生电涡流。 3. 电涡流式传感器的等效电路中，电涡流可以等效为（ ） A. 电阻 B. 电感 C. 电容 D. 电阻和电感串联 【答案】D 【解析】 电涡流在等效电路中可以看作是一个电阻和电感串联的形式，因为电涡流在导体中流动会有能量损耗（类似电阻），同时也会产生电感效应。 1. 下列关于电涡流式传感器频率的说法，正确的是（ ） A. 频率越高，灵敏度越高 B. 频率越低，灵敏度越高 C. 频率对灵敏度没有影响 D. 频率只影响测量范围 【答案】A 【解析】一般情况下，激励频率越高，传感器的灵敏度越高，但过高的频率可能会带来一些干扰等问题。 2. 电涡流式传感器检测位移时，输出信号是（ ） A. 与位移成正比 B. 与位移成反比 C. 与位移的平方成正比 D. 与位移的平方成反比 【答案】A 【解析】在一定范围内，电涡流式传感器检测位移时，输出信号与位移是线性关系，即与位移成正比。 3. 电涡流式传感器探头的线圈电感会随着（ ）而变化 A. 被测物体的电导率 B. 被测物体的磁导率 C. 探头与被测物体的距离 D. 以上都是 【答案】D 【解析】被测物体的电导率和磁导率会影响电涡流的大小，进而影响线圈的电感；探头与被测物体的距离改变也会使线圈电感改变。 · 基于电磁感应，交变电流通过线圈产生交变磁场。 · 金属导体靠近时，在导体表面产生电涡流。 · 电涡流产生的磁场反作用于原线圈，使线圈阻抗变化。 · 通过检测阻抗变化，实现对位移、厚度等参数测量。 知识点二 电涡流式传感器的结构与测量转换电路 1、 电涡流式传感器的结构： 图3所示是CZF-1型涡流传感器的结构：主要是一个固定在框架上的扁平圆线圈，线圈的导线要求选用电阻率小的材料， 一般采用多股漆包铜线或银线绕制而成，放在传感器的端部；框架要求用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，一般可选用聚四氟乙烯、高频陶瓷等制成。 图3 CZF-1型涡流传感器结构 表1所示为CZF-1系列传感器的性能。 由表可知，电涡流式传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但分辨率差（灵敏度低）。 线圈阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。 对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高。被测体为磁性材料时，其效果则相反，与非磁性材料相比，磁性材料的灵敏度低。 为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则将导致灵敏度降低。 被测体为圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的3.5倍以上才不影响测量结果。 被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在0.2 mm 以上测量就不受影响。 在测量时，传感器线圈周围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场， 引起线圈的附加损失。 表1 CZF-1 系列传感器性能表 2、 测量转换电路： 电涡流式传感器的测量转换电路有电桥法、调幅法和调频法。 调频法的工作原理，其转换电路原理框图如图4所示。 图4 调频法转换电路原理框图 并联谐振回路的谐振频率为 当电涡流线圈与被测体的距离s改变时，电涡流线圈的等效电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变。此频率可直接用频率计测量，但多数情况下是通过鉴频器将频率的变化转换为输出电压的变化。 调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。 电涡流式传感器主要由（ ）组成 A. 线圈和铁芯 B. 线圈和探头外壳 C. 探头和测量转换电路 D. 激励源和检测电路 【答案】C 【解析】 电涡流式传感器主要包括探头（用于产生磁场和感应电涡流）和测量转换电路（将感应信号进行转换和处理）。 1. 测量转换电路在电涡流式传感器中的作用是（ ） A. 产生激励磁场 B. 检测电涡流 C. 将感应信号转换为可用信号 D. 保护传感器 【答案】C 【解析】主要作用是将探头感应到的与电涡流有关的微弱信号转换为能够被后续设备处理的可用信号，如电压或电流信号。 2. 下列哪种电路不属于电涡流式传感器的测量转换电路（ ） A. 调频式电路 B. 调幅式电路 C. 电桥电路 D. 光电转换电路 【答案】D 【解析】光电转换电路与电涡流式传感器的工作原理无关，调频式、调幅式和电桥电路可以用于对电涡流产生的信号变化进行处理。 3. 在调频式测量转换电路中，（ ）随着被测参数变化而改变 A. 信号频率 B. 信号幅度 C. 信号相位 D. 信号占空比 【答案】A 【解析】 频式电路是将传感器线圈的电感变化转换为频率变化，所以信号频率随着被测参数（如位移等）的变化而改变。 1. 调幅式测量转换电路输出信号的（ ）与被测参数有关 A. 幅度 B. 频率 C. 相位 D. 脉冲宽度 【答案】A 【解析】调幅式电路主要是通过改变信号的幅度来反映被测参数的变化，如电涡流引起的线圈电感变化会导致输出信号幅度改变。 2. 电桥测量转换电路用于电涡流式传感器时，电桥的（ ）与电涡流有关 A. 电源电压 B. 桥臂电阻 C. 电容 D. 平衡状态 【答案】D 【解析】当电涡流变化导致线圈电感等参数变化时，会使电桥的平衡状态发生改变，通过检测这种不平衡来获取被测参数的信息。 3. 为了提高电涡流式传感器测量转换电路的精度，通常会采用（ ） A. 高精度的运算放大器 B. 高分辨率的模数转换器 C. 温度补偿措施 D. 以上都是 【答案】D 【解析】高精度运算放大器可以减少信号放大过程中的误差，高分辨率模数转换器能更精确地数字化信号，温度补偿措施可以消除温度对电路性能的影响，这些都有助于提高精度。 · 电涡流式传感器主要由线圈和框架组成，线圈多为扁平空心结构，框架需绝缘、耐高温。 · 电涡流式传感器利用电涡流效应，金属导体靠近线圈时产生电涡流，影响线圈阻抗。 · 测量电路有调幅式和调频式，调幅式通过改变输出电压幅值测量，调频式改变输出频率测量。 知识点三 电涡流式传感器的应用 1、 位移测量： 如图5所示，电涡流式传感器用来测量各种形状金属导体试件的位移量。 测量位移范围可以从0~1 mm到0~30 mm。 分辨率为满量程的0.1%。 图5 位移计的几种实例 2、 振幅测量： 如图6所示，电涡流式传感器可以无接触地测量旋转轴的径向振动；也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅。 图6 振幅测量 3、 转速测量： 在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，如图7所示，当转轴转动时，传感器周期性地改变着与转轴之间的距离，它的输出也周期性地发生变化。 此输出信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开z 个槽，频率计读数为f（单位为Hz）则转轴的转速n（单位为r/min）的数值为 图7 转速测量 4、 电涡流探伤： 利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹以及焊接处的缺陷等。 在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。 电涡流式传感器还可以探测金属的表面温度、表面粗糙度、硬度，进行尺寸检测等，同时也可以制成开关量输出的检测元件，例如应用较广的有接近开关及用于金属零件的计数等 。 电涡流式传感器常用于（ ）的测量 A. 温度 B. 湿度 C. 位移 D. 压力 【答案】C 【解析】电涡流式传感器对位移的测量非常有效，当传感器探头与被测物体之间的距离发生变化时，产生的电涡流变化，从而可以测量位移。虽然也可以间接测量温度（通过金属热导率影响电涡流），但最常见的还是位移测量。 1. 在工业自动化生产线中，电涡流式传感器可以用于（ ） A. 检测产品的表面平整度 B. 计算产品的重量 C. 测量产品的颜色 D. 识别产品的材质 【答案】A 【解析】通过将传感器探头在产品表面移动，利用其测量位移的功能，可以检测产品表面是否平整，电涡流式传感器一般无法直接用于计算重量、测量颜色和识别材质（材质识别是基于电导率和磁导率，但不是主要应用）。 2. 电涡流式传感器在汽车行业的一个重要应用是（ ） A. 测量轮胎气压 B. 检测车速 C. 监测汽车与周围物体的距离 D. 测量燃油液位 【答案】C 【解析】电涡流式传感器可以安装在汽车车身周围，用于监测汽车与周围物体的距离，实现防撞预警等功能。 3. 列哪种设备中可能会用到电涡流式传感器来检测金属部件的磨损情况（ ） A. 风力发电机 B. 空调 C. 打印机 D. 微波炉 【答案】A 【解析】在风力发电机中，有很多金属部件如齿轮、轴承等，电涡流式传感器可以通过测量这些部件由于磨损导致的尺寸变化（位移变化）来检测磨损情况。空调、打印机、微波炉通常没有这种对金属部件磨损的检测需求。 1. 电涡流式传感器在金属加工机床中主要用于（ ） A. 切割刀具的定位 B. 冷却液液位监测 C. 加工材料的硬度检测 D. 机床电机转速控制 【答案】A 【解析】在金属加工机床中，电涡流式传感器可以准确地对切割刀具进行定位，确保加工精度。 2. 电梯行业中，电涡流式传感器可以用于 ( ) A. 检测电梯轿厢的位置 B. 计算电梯的载重 C. 控制电梯门的开关速度 D. 检测电梯轿厢内的温度 【答案】A 【解析】电涡流式传感器通过测量位移可以检测电梯轿厢在井道中的位置，对于电梯的运行控制很重要。 3. 在航空航天领域，电涡流式传感器可用于（ ） A. 飞机机翼的振动检测 B. 飞机燃油的成分分析 C. 飞机客舱的空气净化监测 D. 飞机起落架轮胎的花纹深度检测 【答案】A 【解析】飞机机翼在飞行过程中会产生振动，电涡流式传感器可以检测这种振动情况（通过位移变化），用于监测机翼的结构健康状况。 · 位移测量：精准测金属物体位移。 · 厚度检测：非接触式测金属板材厚度。 · 转速测量：感应齿轮转速，输出脉冲信号计算转速。 · 无损探伤：检测金属表面裂纹等缺陷，通过涡流变化判断。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$