1、長沙理工大學鋼板厚度測量系統 學院：汽車與機械工程學院 班級： 車輛1102 學號：201169030201 姓名：侯 健 鋼板厚度測量系統一、測量對象說明本測量系統對象是普通鋼板，但為保持測量靈敏度要求其厚度大于0.1mm，被測面應光潔、不應有洞眼、刻痕等，長度50mm、寬度30mm、厚度在016mm間。二、測量原理框圖三、測量原理與方法說明 1.測量原理 如圖1所示,在金屬板一側的電感線圈中通以高頻激勵電流I1時,線圈將產生高頻磁場,由于集膚效應,高頻磁場作用于金屬板表面薄層,并在這薄層中產生渦流。渦流I2又會產生交變磁通2反過作有于線圈,使得線圈中的磁通1發生變化而引起自感量變化,在線圈

2、中產生感應電勢。電感的變化隨渦流而變,而渦流又隨線圈與金屬板間距x而變化,因此可以用高頻反射式渦流傳感器來測量位移x的變化。圖2為渦流效應等效電路。R1為線圈電阻;L1為線圈電感;R2為短路電阻;L2為短路環電感;U1為激勵電壓;M為線圈與短路環間的互感。 回路方程: 受渦流影響后線圈的等效阻抗為: 線圈阻抗只與L1、L2、M有關,而L1、L2、M都與x有關,即Z=f(x),因此,如固定傳感器的位置,當間距x發生變化時,Z就發生變化,從而達到以傳感器阻抗變化值來檢測被測金屬位移量的值。 傳感器阻抗變化還需進一步轉化為電信號以便進入數據采集系統。通常的測量方法式采取阻抗變換電路:電渦流傳感器探頭

3、內線圈,與其它固定阻抗組成原始平衡電橋,隨著鋼板厚度的變化,探頭線圈阻抗值隨之變化,這樣就破壞了電橋的原始平衡,失衡電橋的橋路輸出電壓值可反映被測鋼板厚度值。除電橋法外,還有高精度的諧振調幅、調頻等測量電路。 2、測量方法說明 利用高頻反射式渦流傳感器的原理,采用上下2路渦流傳感器,被測鋼板置于中間,分別測量上、下檢測器對鋼板間距,相對固定的2路可以實現對鋼板的厚度測量,原理如圖3。D為2傳感器的間距,h為鋼板的厚度,x1、x2為鋼板到傳感器探頭的距離,即傳感器的測量值。則被測鋼板的厚度h為D-(x1+x2)。測量值不受鋼板移動的過程中上下波動及帶材不夠平整的影響。 四、傳感器的選型擬采用上海

4、傳振電子科技有限公司的型號為CZ-600傳感器。 1、內部系統圖2、技術參數供電范圍1、+18Vdc+30Vdc（輸出信號：420mA；15V；110V）2、-24Vdc（-2-18V）注：不同的輸出方式，供電不同測量量程動態測量（軸振動位移量）：0-800um；靜態測量（軸向位移）：016mm輸出信號420mA、15V、110V、-2-18V（可選）分辨力0.001mm線性誤差量程: <12mm誤差<1%；量程> 13mm誤差<1.5%輸出方式三線制（電源、信號輸出、公共端）輸出負載電壓輸出：輸出阻抗<51；電流輸出：負載電阻<500頻率響應05KHz(0

5、.5dB)功耗<10mA(不包括變送輸出的電流)系統溫漂0.1%/適用溫度范圍前置器-30+70；探頭-40+150；電纜-40+150電纜總長5或9延伸電纜長度4、4.5、8、8.5探頭電纜長度1、0.53、安裝說明（1）被測體要求：被測體材料對傳感器特性影響，以2mm對應-2-18V為例（如下圖）（2）.被測體為為圓軸且其軸心線與探頭軸心線正交時，要求被測體直徑大于探頭直徑3倍以上，否則傳感器靈敏度會降低。(3).被測體厚度影響傳感器靈敏度。鋼等導磁性好的金屬材料要求其厚度大于0.1mm，鋁等導磁性好的金屬材料要求其厚度大于0.6mm.(4).被測面應光潔、不應有洞眼、刻痕等，轉速、

6、鑒相測量可在被測面裝凸臺或開凹槽，位移測量一般要求被測面表面粗糙程度不超過0.81.6um,軸的徑向振動測量一般要求被測面表面粗糙程度不超過0.40.8um。(5).兩個探頭的安裝距離不能太近，否則兩探頭之間會通過電磁場互相干擾(如圖2-6所示)，在輸出信號上迭加兩探頭的差頻信號，造成測量結果的失真，這種情況稱之為相鄰干擾。排除相鄰干擾有關的因素：被測體的形狀，探頭的頭部直徑以及安裝方式。通常情況下探頭之間的最小距離見下表2-2與圖2-6。本系統的選型探頭選型為CZ600T-A01-B040-C08-D10-E01規格為8mm，正裝，有螺紋，系統電纜總長9M,電纜長度1M，殼體長度40mm,有

7、鎧裝。延伸電纜選型CZ600L-A40-B01電纜長度4M，有鎧裝。前置器選型CZ600-A00-B02供電電壓為+24V，輸出信號為1 V 5V。五、各原理框圖的功能1.電橋 電橋是一種電阻、電感電容等參數變化轉換位電壓或電流變化的測量電路。電橋輸出一般需先做放大，然后再做后續處理。但有時也可用指示儀表直接測量。電橋電路電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉化為或電流的變化。圖是電橋法的電原理圖，圖中線圈A和B為傳感器線圈。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正

8、比的輸出。2.檢測電路 檢測電路分為整流電路A、分壓電路B和放大電路C。利用互感器對線圈回路的電壓進行取樣、壓縮,并作為檢測電路的輸入UAC。UAC經過整流電路A變換成直流電壓,該電壓經分壓電路B分壓后進入放大電路C。放大的電壓值轉化成420mA標準電流信號輸入到PLC,微機系統則對從PLC采集到的標準電流信號進行濾波、線性變換處理得到線圈輸出電壓值。在線采集相關參數數值,包括線圈輸出電壓值、線圈距導體距離、導體溫度,從而繪出線圈輸出電壓與各參數之間的曲線圖3.調制解調、濾波與放大器 經過傳感器變換后，被測信號一般需要做交流放大，一邊進行傳輸、預算等后續處理。交流放大器不適于做緩變信號的放大；

9、直流放大器雖可以此類信號的直接放大，但存在零漂和級間耦合等問題，因此常采用調制的方法先把緩變信號變換成頻率適當的交流信號，然后用交流放大器放大。最后進過傳輸、處理后，再使原緩變信號回復原樣。濾波器的作用是，使信號中的特定頻率成分通過，而抑制或極大地衰減其他頻率的成分。濾波器是頻譜分析和濾除干擾噪聲的頻率選擇裝置，廣泛應用于各種自動檢測/自動控制裝置中。4.線性化 傳感器的輸出量與被測物理量之間的關系,絕大部分是非線性的。 造成非線性的原因主要有有二；(1) 是許多傳感器的轉換原理并非線性,如溫度測量,熱電阻或熱電偶與溫度是非線性關系，（2）是采用的測量電路的非線性,例如測量熱電阻用四臂電橋,電

10、阻的變化引起電橋失去平衡,出現的輸出電壓與電阻之間的關系為非線性。此系統的線性化裝置便是使輸出的信號與被測物理量之間呈線性關系，使輸出的信號準確度更高。六、誤差分析1）被測體尺寸大小、激勵電壓大小對渦流大小均產生影響,其中,激勵電壓的選擇能影響渦流檢測位移系統的靈敏度以及測量范圍。2）對被測體的要求，為了防止電渦流產生的磁 場影響儀器的正常輸出，安裝時，傳感器頭部四周必須 留有一定范圍的非導電介質空間。如果在某一部位要 同時安裝兩個以上的傳感器，就必須考慮是否會產生交叉干擾，兩個探頭之間一定要保持規定的距離。同 時，被測體表面積應為探頭直徑3倍 。3）由于振蕩回路的檢波輸出與測量位移之間為非線

11、性關系, 為了提高渦流傳感器的使用范圍和精度,必須對電渦流傳感器進行非線性補償。雖然本測試系統裝有線性化模塊。但仍有一點的誤差。4）電渦流傳感器的動態特性主要由振蕩回路和檢波回路的頻率特性決定, 整個傳感器的傳遞函數表示為：式中: L1為線圈的電感;R1為線圈的串聯電阻; RC2 為檢波電路的時間常數。為了在提高系統的動態特性的同時不降低振蕩回路的品質因數,在傳感器的輸出信號流中串聯超前校正環節以改善傳感器的動態特性。超前校正的傳遞函數為：5）傳統的檢波方式采用二極管、電容、電阻實現。由于二極管的導通特性受溫度影響比較明顯,所以傳統的二極管檢波輸出存在隨溫度變化而發生漂移的現象。感應線圈本身存

12、在電阻隨溫度變化而變化的問題,會使傳感器輸出信號產生較大的誤差。七、測量系統的整體評價厚度是工業生產中最常見和最基本的工業參數之一，是與人類的生活、工作關系最密切的物理量，也是各學科與工程研究設計中經常遇到和必須精確測量的物理量。厚度測量方法有很多：簡單的厚度測量可以用卷尺或直尺來完成，要求精度高的用游標卡尺來完成，一些金屬的厚度還可以用傳感器來測量，具體用什么方法測厚要根據所測物體的大小、形狀、材質以及測量精度來定。 在進行金屬的厚度測量時，經常遇到金屬表面有非金屬涂層或油污等雜質使接觸測量不準確或無法進行，而且在工業現場的在線測量也使得接觸式測量變得困難，這就使得非接觸式測量的優

13、點顯現出來。本測量系統就是利用電渦流傳感器來測量鋼板的厚度本系統原理是通過電渦流效應的原理，準確測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端面的相對位置，其特點是長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質的影響，本系統的測量范圍為016mm，測量精度為1%，工作溫度為-50+120，溫漂0.05%/，頻響：010kHz。但由于考慮的不周到，會有一點給的誤差，比如溫度，傳感器的動態特性，被測物體的尺寸大小等都會影響測量的結果。希望在以后能夠改進這些影響，使測量精度更加準確。八、設計心得 這次的設計真的使我學到了很多東西。首先，對于這門課程，從一開始到結課我都是稀里糊涂的像聽天書一樣，弄不明白這門課程到底學的是什么。后來知道考試要做一個鋼板厚度測量系統覺得總比考試來的容易。不過真正著手做的時候還真挺復雜的，覺得這就是一個課程設計吧。開始是在網上找各種用傳感器測鋼板厚度的資料，知道了有很多種類，有電渦流，超聲波，激光等，還有各種傳感器測量鋼板厚度的原理，然后又在淘寶百度上查找各種類型傳感器的技術參數，測量范圍，靈敏度，最后經過綜合的考慮確定了選用電渦流傳感器來測量。選好傳感器后還要查找傳感器中各個部分的功能，如電橋，振蕩器，調制解調，放大器，濾