開封大學PAGEPAGE3項目三電感式傳感器Ⅱ課題：電渦流式傳感器的原理及應用課時安排：2課次編號：7教材分析難點：接近開關重點：教學目的和要求1、了解電渦流傳感器的工作原理；2、掌握FM電路的應用；3、了解接近開關的原理；4、掌握接近開關的應用。采用教學方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：電渦流傳感器及接近開關各教學環節和內容任務三電渦流傳感器一、電渦流效應金屬導體置于變化的磁場中時，導體表面就會有感應電流產生。電流的流線在金屬體內自行閉合，這種由電磁感應原理產生的旋渦狀感應電流稱為電渦流，這種現象稱為電渦流效應電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z與金屬導體的f、μ、σ有關，與電渦流線圈的激勵源頻率f（f=ω/2π)等有關，還與金屬導體的形狀、表面因素（粗糙度、溝痕、裂紋等）r有關。更重要的是與線圈到金屬導體的間距（距離）x有關，可用以下的函數表達式來表示Z=R+jωL=f（f、μ、σ、r、x）（3-2）結論：如果控制上式中的f、、σ、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數，這樣就成為非接觸位移傳感器。如果控制x、i1、f不變，就可以用來檢測與表面電導率σ有關的表面溫度、表面裂紋等參數，或者用來檢測與材料磁導率μ有關的材料型號、表面硬度等參數。提示：電渦流線圈的阻抗與μ、σ、r、x之間的關系均是非線性關系，必須由計算機進行線性化糾正。二、電渦流探頭結構電渦流傳感器的傳感元件是一只線圈，俗稱為電渦流探頭。激勵源頻率較高（數十千赫至數兆赫）。圖3-3電渦流探頭結構1－電渦流線圈2－探頭殼體3－殼體上的位置調節螺紋4－印制電路板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－電纜插頭提示：探頭的直徑越大，測量范圍就越大，但分辨力就越差，靈敏度也降低。三、電渦流傳感器的測量轉換電路1、調幅式電路AM：以輸出固定頻率信號的幅度來反映調制信號的大小。例如中波、短波廣播電臺的信號。當被測體為金屬時，探頭線圈的等效電感L減小、R增大，引起Q值下降。當并聯諧振回路的諧振頻率f1>f0，處于失諧狀態，輸出電壓大大降低。圖3-4定頻調幅式測量轉換電路2、調頻式電路FM：以輸出固定幅度、頻率上下波動的信號的來反映調制信號的大小。例如調頻廣播電臺的信號。在電渦流傳感器中，以LC振蕩器的頻率f作為輸出量。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，此頻率可以通過F／V轉換器（又稱為鑒頻器），將f轉換為電壓Uo，由表頭顯示出電壓值。也可以直接將頻率信號（TTL電平）送到計算機的計數/定時器，測量出頻率的變化。鑒頻器特性如圖3-6b所示。圖3-6調頻式測量轉換電路原理框圖及特性a）信號流程b）鑒頻器特性四、電渦流傳感器的應用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。即使要用作定量測量，也必須采用前面述及的逐點標定、計算機線性糾正、溫度補償等措施。介紹轉軸的轉速n（單位為r/min）的測量方法，以及計算公式（4－2）圖4－8轉速測量a）帶有凹槽的轉軸及輸出波形b）帶有凸槽的轉軸及輸出波形1－傳感器2－被測物五、接近開關及應用接近開關的特點：與機械開關相比，接近開關具有如下特點：①非接觸檢測，不影響被測物的運行工況；②不產生機械磨損和疲勞損傷，工作壽命長；③響應快，一般響應時間可達幾毫秒或十幾毫秒；④采用全密封結構，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強；⑤無觸點、無火花、無噪聲，所以適用于要求防爆的場合（防爆型）；⑥輸出信號大，易于與計算機或PLC等接口；⑦體積小，安裝、調整方便。它的缺點是“觸點”容量較小，輸出短路時易燒毀。接近開關的主要性能指標（1）額定動作距離在規定的條件下所測定到的接近開關的動作距離（單位為mm）；（2）工作距離接近開關在實際使用中被設定的安裝距離。在此距離內，不產生誤動作；（3）動作滯差指動作距離與復位距離之差的絕對值。滯差大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就強；（4）重復定位精度(重復性)它表征多次測量動作距離。其數值的離散性的大小一般為動作距離的1%～5%。離散性越小，重復定位精度越高。（5）動作頻率指每秒連續不斷地進入接近開關的動作距離后又離開的被測物個數或次數。接近開關的規格及接線方式接近開關的一種典型三線制接線方式及特性如圖3-14所示。引線的顏色：棕色引線為正電源（18～35V）；藍色接地（電源負極）；黑色為輸出端。解釋：常開、常閉、繼電器輸出型、OC門輸出型PNP”、“NPN”的區別。解釋數電中學習到的OC門。分析工作過程：當被測物體未靠近接近開關時，UB=0，IB=0，OC門截止，OUT端為高阻態（接入負載后為接近電源電壓的高電平）；當被測體靠近到動作距離（xnin）時，OC門的輸出端對地導通，OUT端對地為低電平（約0.3V）。將中間繼電器KA跨接在+VCC與OUT端上時，KA就處于吸合（得電）狀態。當被測物體遠離該接近開關，到達xmax時，OC門再次截止，KA失電。通常將接近開關設計為具有“施密特特性”，Δx為接近開關的動作滯差（也稱為“動作回差”）。回差越大，抗機械振動干擾的能力就越強。圖3-14接近