CN201796013U - 电涡流金属材料分析传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电涡流金属材料分析传感器，为解决现有技术中成本较高、适用性不强等问题而发明。包括：外壳，用于容置传感器线圈及骨架；骨架，呈筒状，由高导磁材料制成，一端设在待测金属基板附近；传感器线圈，缠绕设在骨架上；信号源，用于为传感器线圈提供交流电信号，以在待测金属基板平面上产生涡流；检测电路，连接传感器线圈，用于检测在待测金属基板平面上产生的涡流并设有输出端。上述的结构，对不同类型标准金属材质测量时，引起的磁通量变化不同及电感量的差异通过检测电路转变成电信号经输出端输出，实现接触式或非接触式金属材质的测量；结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，适用范围广。

Description

电涡流金属材料分析传感器

技术领域

本实用新型涉及一种电涡流传感器，尤其是用于金属材料分析的电涡流传感器。

背景技术

电涡流传感器是建立在电磁场理论的基础上工作的。从结构上来看，电涡流传感器就是一个线圈，在线圈内通以交流电，则在线圈周围将产生交变磁场。金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流象水中漩涡那样在导体内转圈，所以称为电涡流，这种现象称为电涡流效应；根据电磁场的理论，导体的电阻率ρ、导磁率μ、导体厚度d，以及线圈与导体之间的距离x、线圈的激励频率ω等参数，都将通过电涡流效应与磁效应与线圈参数(线圈阻抗Z，电感L和品质因数Q)发生联系。或者说，线圈参数是导体参数的函数。固定其中若干参数不变，就能按涡流大小测量另外一个参数，电涡流传感器就是按此原理构成的。这种传感器已广泛用，譬如位移传感器，振动传感器、转速传感器、温度传感器、硬度传感器以及探伤传感器等；而目前用于在金属材料性能分析方面仍然采用传统的光谱分析的方式，价格昂贵、分析过程复杂，只有在一些专业的科研院所和专业的实验室才有使用，不适用于小型制造企业。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、成本较低、灵敏度高、适用性强的电涡流金属材料分析传感器。

为了达到上述目的，本实用新型的电涡流金属材料分析传感器，包括：

外壳，用于容置传感器线圈及骨架；

骨架，呈筒状，由高导磁材料制成，一端设置在待测金属基板附近；

传感器线圈，缠绕设置在所述骨架上；

信号源，用于为所述传感器线圈提供交流电信号，以在所述待测金属基板平面上产生涡流；

检测电路，连接所述传感器线圈，用于检测在所述待测金属基板平面上产生的所述涡流并设有输出端。

特别是，所述的外壳呈圆柱状，由上、下两部分通过螺纹连接构成；其中，下部分为探头，内部设置有容置空间，所述外壁缠绕设置有传感器线圈的骨架设置在所述容置空间内；上部分为前置器，内部也设置有容置空间，所述检测电路设置在该容置空间内，中心部位穿设有用于连接交流电源的电缆与传感器线圈连接；所述上、下部分连接处均设置有两导电触头通过导线对应与检测电路和传感器线圈连接。

其中，所述骨架和传感器线圈外部与探头容置空间内壁之间填充设有绝缘材料。

进一步地，所述的检测电路为谐振式电路、正反馈法测量电路或电桥法测量电路。

上述的结构，用电涡流传感器对不同类型标准金属材质测量时，引起的磁通量变化不同及电感量的差异，这种磁通量变化及电感量的差异通过检测电路转变成电信号经输出端输出，利用此种结构的电涡流传感器可制成金属材质测量仪，且可以实现接触式或非接触式金属材质的测量；将所述电涡流金属材料分析仪输出端输出的电信号经数字处理并进行储存，储存的数据作为标定值，再对测量对象测量时，将测量的数值与标定值进行比较，这样就可以判断测量对象是某种金属材质，由于电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的，由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例的剖视结构示意图。

图2为本实用新型中高频反射式电涡流传感器原理图。

图3为本实用新型中电涡流传感器的原理示意图。

图4为本实用新型中电涡流传感器的等效电路示意图。

图5为本实用新型中检测电路的谐振式电路图。

图6为本实用新型中检测电路的调谐曲线图。

图7为本实用新型中检测电路的反馈法测量电路。

图8为本实用新型中检测电路的电桥法测量电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1-8所示，本实用新型的电涡流金属材料分析传感器，包括：

外壳1，用于容置传感器线圈2及骨架3；

骨架3，内部设置有的高导磁材料制成的筒状壳体31，一端设置在待测金属基板4附近；

传感器线圈2，缠绕设置在所述骨架3上；

信号源，用于为所述传感器线圈提供交流电信号，以在所述待测金属基板平面上产生涡流；

检测电路5，连接所述传感器线圈，用于检测在所述待测金属基板平面上产生的所述涡流并设有输出端。

所述的外壳呈圆柱状，由上、下两部分11、12通过螺纹连接构成；其中，下部分为探头，内部设置有容置空间，所述外壁缠绕设置有传感器线圈的骨架设置在所述容置空间内；上部分为前置器，内部也设置有容置空间，所述检测电路设置在该容置空间内，中心部位穿设有用于连接交流电源的电缆6与传感器线圈连接；所述上、下部分连接处均设置有两导电触头7通过导线对应与检测电路和传感器线圈连接。其中，所述骨架和传感器线圈外部与探头容置空间内壁之间填充设有绝缘材料。所述的检测电路为谐振式电路、正反馈法测量电路或电桥法测量电路。

上述的结构，非铁磁性金属的电导率测量和材质鉴别是涡流检测技术的重要应用领域之一。电导率的测量是利用涡流电导仪测量出非铁磁性金属的电导率值。通过电导率值的测量结果可以进行材质鉴别、热处理状态的鉴别以及耐应力腐蚀性能的评价。材质鉴别可以是通过利用电导仪测量出不同材料的电导率值进行，也可以是利用其他型涡流仪器(如涡流探伤仪，涡流测厚仪)检测出由于材料导电性的差异而引起的涡流响应的不同，并据此进行不同材料的鉴别，这种检测往往不是定量测量，而是定性的测试分析。相同厚度的不同板材在同一环境下产生的电涡流效应不同，通过测量传感器输出差异，即可鉴别出对应于不同的金属。

高频反射式电涡流传感器结构简单，主要由安置于骨架上得扁平圆形线圈构成，如图3所示。传感线圈由高频电流i激磁，产生高频交变磁场，此在被侧体平面上产生电涡流。根据电磁感应定律，电涡流对起去磁作用，以阻止的变化。图中表示由电涡流产生的磁场，因而与反向。显然传感器线圈与被测体之间的距离δ越小，电涡流效应越强，从而把非电量δ转换为电量，以实现位移量的测量。

(2)等效电路

根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组

R1I+jwL1I1-jwMI2＝U1

-jwMI1+R2I2+jwL2I2＝0

$I1=\frac{U1}{R1+\frac{w2M2}{R2+\left(\mathrm{WL}2\right)}R2+\mathrm{jw}(L1-\frac{w2M2}{R2+\left(\mathrm{WL}22\right)2}L2)}$

解得 $I2=\frac{\mathrm{MI}1}{R2+\left(\mathrm{WL}2\right)}=\frac{\mathrm{Mw}2L2I1+\mathrm{jwMR}2I1}{R22+\left(w12\right)2}$

由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为：

$Z=R1+R2\frac{w2M2}{R22+\left(\mathrm{wL}2\right)2}+\mathrm{jw}(L1-L2\frac{w2M2}{R22+\left(\mathrm{wL}2\right)2})$

线圈的等效电感为

$L=L1-L2\frac{w2M2}{R22+\left(\mathrm{wL}2\right)2}$

由式可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由变为Z，常称其变化部分为“反射阻抗”。Q＝Q0＝(1-L2w2M2/L1Z22)/(1+R2w2M2/R1Z2)式中Q0＝WL1/R1，无涡流影响时线圈的Q值

短路环的阻抗即Z＝F(δ，ρ，f，μ_r)，高频反射式电涡流传感器可以实现位移量的测量。

(3)工作特性

①电涡流的径向密度

电涡流的径向密度与传感线圈外径有一定的比例关系。

电涡流的径向密度与传感线圈对被测体间距δ成反比。

②电涡流的贯穿深度

电涡流的贯穿深度h与被测体涡流回路电阻率ρ成正比，与其相对导磁率及电源频率f成反比，其算关系如下：

$\mathrm{Rh}=\sqrt{\frac{p}{u0\mathrm{ur\πf}}}$

③电涡流效应的灵敏度

被测体材料物理性能的影响

被测体几何尺寸的影响

非线性

(4)器件选择

电涡流传感器的型号：JJ11CWY-DO

技术参数：

①探头直径：Φ8mm*、Φ11mm、Φ18mm、Φ25mm

②线性范围：2mm、4mm、8mm、8mm

③灵敏度：8.0V/mm±4％、4.0V/mm±4％、1.5V/mm±4％、1.5V/mm±4％

④线性度：系统误差≤±1％

⑤频响特性：0～10KHZ

⑥电缆长度：(5米*、9米)

⑦螺纹规格：M10×1、M14×1.5、M25×1.5、M30×2K

⑧环境温度：探头-10～+100℃(相对湿度：≤90％)

该传感器具有线性度好、灵敏度高、频响特性范围宽、适应环境广等优点。

检测电路，用于将接收到的电涡流传感器输出的检测信号转换成有效电信号并将该有效电信号进行放大处理后输出；所述的检测电路为谐振式电路、正反馈法测量电路或电桥法测量电路；

根据电涡流效应原理和等效电路，电涡流传感器输出的测量电路有下述三种形式：

①谐振式，如图5所示。

谐振法是依据电路谐振原理，实现对电涡流传感器输出信号测量的方法。根据LC谐振电路的幅值及频率特性(Freguency response)，又分为调幅法和调频法。

a)调幅法

是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回来，有石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z，激磁电流和谐振阻抗Z越大，输出电压越高。初态时，传感器远离被测体，调整LC回路谐振频率等于石英晶体振荡器即

此时LC并联谐振回路的等效阻抗Z最大，即Z＝Z0＝1/R’C。式中R′是谐振回路的等效电阻，式中的L即为传感线圈自感L1.在谐振频率以外，LC回路的等效阻抗将显著减少，如图6所示。

当被测体为软磁材料时，由于导磁率μ增加，谐振回路的等效电感L增加，LC回路谐振频率减小，谐振曲线左移，谐振阻抗由初态最大值降至，对应的谐振频率为f1。当被测体为硬磁或非硬磁材料时，由于导磁率μ减小，等效电感L减小，LC回路谐振频率增大，谐振曲线右移，谐振阻抗由初态最大值降至。

对应的谐振频率为f2。由于并联谐振电路输出电压，因而传感线圈与被测体之间距离δ的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法。

b)调频法

调频法是以LC振谐回路的频率作为输出量，直用频率计测量；或通过测量LC回路等效电感L，间接测量频率变化量。

②正反馈电路法，如图

③电桥法，如图

图中和为传感器两线圈电感，分别与选频电容和并联组成两桥臂，电阻和组成另外两桥臂。静态时，电桥平衡，桥路输出＝0。工作时，传感器接近被测体，电涡流效应等效电感L发生变化，测量电桥失去平衡，即≠0，经线性放大后送检波器检波后输出直流电压U显然此输出电压U的大小正比于传感器线圈的电感量，以实现对金属材质的测量。

非铁磁性金属的电导率测量和材质鉴别是涡流检测技术的重要应用领域之一。电导率的测量是利用涡流电导仪测量出非铁磁性金属的电导率值。通过电导率值的测量结果可以进行材质鉴别、热处理状态的鉴别以及耐应力腐蚀性能的评价。材质鉴别可以是通过利用电导仪测量出不同材料的电导率值进行，也可以是利用其他型涡流仪器(如涡流探伤仪，涡流测厚仪)检测出由于材料导电性的差异而引起的涡流响应的不同，并据此进行不同材料的鉴别，这种检测往往不是定量测量，而是定性的测试分析。相同厚度的不同板材在同一环境下产生的电涡流效应不同，通过测量传感器输出差异，即可鉴别出对应于不同的金属。

本设计采用电桥法检测电路，这种电路具有线性放大作用，放大后的信号送检波器检波后输出直流电压U显然此输出电压U的大小正比于传感器线圈的电感量，以实现对金属材质的测量。

本实用新型不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上做任何变化，凡是利用上述的电涡流金属材料分析传感器都是本实用新型的一种变形，均应认为落在本实用新型保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电涡流金属材料分析传感器，其特征在于，包括：

外壳，用于容置传感器线圈及骨架；

骨架，呈筒状，由高导磁材料制成，一端设置在待测金属基板附近；

传感器线圈，缠绕设置在所述骨架上；

信号源，用于为所述传感器线圈提供交流电信号，以在所述待测金属基板平面上产生涡流；

检测电路，连接所述传感器线圈，用于检测在所述待测金属基板平面上产生的所述涡流并设有输出端。

2.如权利要求1所述的电涡流金属材料分析传感器，其特征在于，所述的外壳呈圆柱状，由上、下两部分通过螺纹连接构成；其中，下部分为探头，内部设置有容置空间，所述外壁缠绕设置有传感器线圈的骨架设置在所述容置空间内；上部分为前置器，内部也设置有容置空间，所述检测电路设置在该容置空间内，中心部位穿设有用于连接交流电源的电缆与传感器线圈连接；所述上、下部分连接处均设置有两导电触头通过导线对应与检测电路和传感器线圈连接。

3.如权利要求2所述的电涡流金属材料分析传感器，其特征在于，所述骨架和传感器线圈外部与探头容置空间内壁之间填充设有绝缘材料。

4.如权利要求1、2或3所述的电涡流金属材料分析传感器，其特征在于，所述的检测电路为谐振式电路。

5.如权利要求1、2或3所述的电涡流金属材料分析传感器，其特征在于，所述的检测电路为正反馈法测量电路。

6.如权利要求1、2或3所述的电涡流金属材料分析传感器，其特征在于，所述的检测电路为电桥法测量电路。

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