第五章电涡流式传感器

1、第五章 电涡流式传感器 在电路中，我们学过：当导体处于交变磁场 中时，铁心会因电磁感应而在内部产生自行 闭合的电涡流而发热。因而，为了减小电涡 流，避免发热，变压器和交流电动机的铁心 都是用硅钢片叠制成的。生产生活中也可以 利用电涡流做有用的工作，比如电磁炉、中 频炉、高频淬火等都是利用电涡流原理而工 作的。 电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。 1. 工作原理 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应 电流，电流就像水中的漩涡一样在导体内转圈，称之 为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。如图3-35. a) b) 图3-35 涡流式传感器基本原理图 一个通有交变电流i1的传

2、感器线圈，由于电流 的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场h1， 当被测金属置于该磁场范围内，金属导体内 便产生涡流i2，涡流也将产生一个新磁场h2 ， h2与h1方向相反，因而抵消部分原磁场，从 而导致线圈的电感量l、阻抗z和品质因数q发 生变化 。 线圈与金属导体之间存在磁性联系。 涡流效应的特性： 由于涡流效应在金属导体内产生电涡流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，这称为集肤效集肤效 应应。 电涡流具有集肤效应，它与激励源频率f、 工件的电导率、磁导率等有关。频率越高， 电涡流的渗透深度就越浅，集肤效应就越严 重。 由于存在集肤效应，电涡流方法只

3、能检测导 体表面的各种物理参量。改变频率f，可控制 检测深度。激励源频率一般为100khz1mhz. 为了使电涡流深入金属导体深处，或对距离 较远的金属体进行检测，可采用十几千赫甚 至几百赫兹的低频激励频率。 a) b) 涡流式传感器基本原理图 2. 等效电路及其分析 把导体形象地看作一个短路线圈，那么线圈与导体间 的关系可用图3-35b)所示的电路来表示。根据基尔霍 夫定律，可列出电路方程组为 1 11 12 r ij l ij miu 0 12222 mijiljir （3-41） 解此方程组，得传感器工作时的等效阻抗为 2 2 22 2 22 21 2 2 22 2 22 21 . .

4、lr m llj lr m rr i u z （3-42） 2 2 2 2 2 22 21 2 2 22 2 22 21 lrmlll lrmrrr 等效电阻、等效电感分别为 （3-43） （3-44） 线圈的品质因数为 2 2 22 2 22 1 2 2 2 22 2 22 1 2 1 1 1 1 lr m r r lr m l l r l r l q （3-45） 可以看出，当被测参数变化，既能引起线圈阻抗z变 化，也能引起线圈电感l和线圈品质因数q值变化。 而这些参数的变化量的大小与导体的电阻率、磁 导率和线圈与导体的距离x以及线圈激励电流的角 频率和导体的表面因素r等参数有关，都将通过

5、涡 流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线 圈组抗是这些参数的函数，可写成 z = f（、x、r、） 控制其中大部分参数恒定不变，只改变 其中一个参数，这样阻抗就能成为这个 参数的单值函数。例如被测材料的情况 不变，激励电流的角频率不变，则阻抗z 就成为距离x的单值函数。利用此原理便 可制成涡流位移传感器。 涡流位移传感器原理： 实验证明，当距离x减小时，电涡流线圈的等效 电感l减小，等效电阻r增大。线圈的感抗xl的 变化比r的变化快，则涡流线圈的阻抗是减小 的，线圈中的电流i1是增大的。反之，则i1减小。 而且由于线圈的品质因数q（q=xl/r=l/r)与 等效电感成正比，与等效电阻成

6、反比，所以当 电涡流增大时，q下降很多。 利用此原理可以制作多种电涡流传感器，如位 移测量、转速测量、接近开关等。 3、电涡流式传感器的结构 电涡流式传感器主要是一个绕制在框架上的 绕组,常用的是矩形截面的扁平绕组。导线选 用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包线， 银线或银合金线。框架要求采用损耗小、电 性能好、热膨胀系数小的材料，一般选用聚 四氟乙烯、高频陶瓷等。 以czf型涡流传感器为例，如图3-40所示。 图3-40 czf型涡流式传感器的结构图 这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的，并 利用其耦合程度的变化作为测量值，无论是被测体的 物理性质，还是它的尺寸和形状都与测量装置的特性

7、 有关。作为传感器的测量装置的线圈仅为实际传感器 的一半，而另一半是被测体。 czf型传感器的性能见表3-1。 4、测量转换电路 电涡流探头与被测物之间的互感量变化可以转换为 传感器线圈阻抗z和品质因数q等参数的变化。转换 电路的作用是把这些参数转换为电压或电流的输出。 （1）电桥电路 振 荡 器 检波器 r1 r2 c1 c2 l1 l2 a 图3-41 电桥电路原理图 电桥电路中线圈l1、l2为传感器线圈，它们与电容 c1、c2，电阻r1、r2组成电桥的四个臂。振荡器提 供电源，振荡频率根据需要选择。当线圈阻抗变化 时，电桥失去平衡。不平衡输出经线性放大和检波， 得到输出。 晶振 高频放大

8、幅值检波 lc0 uir ii 低频放大 0 u 0 u 0 u x 图3-42 高频调幅式测量转换电路 调幅式是以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头 与被测导体之间的关系。图3-42是高频调幅式电路。 （2）调幅式电路 石英晶体振荡器通过耦合电阻r，向由探头线 圈和一个微调电容c0组成的并联谐振回路提 供一个稳幅的高频激励信号，相当于一个恒 流源。测量时，先调节c0，使lc0的谐振频率 等于石英晶体振荡器的频率f0，此时谐振回路 的q值和阻抗z也最大，恒定电流ii在lc0并联 谐振回路上的压降u0也最大。 ziu 10 当被测体为非磁性金属时，物体接近探头时，由 于涡流效应，线圈的等效电感l

9、减小，并引起线 圈品质因数q值的下降，并联谐振回路谐振频率 不再等于石英晶振的频率而发生失谐状态，使输 出电压u0大大降低。 当被测体为磁性金属时，探头线圈的电感量略为 增大，但由于被测磁性金属体的磁滞损耗，使探 头线圈的q值也大大下降，输出电压u0也降低。 在以上两种情况下，被测体与探头的间距越小， 输出电压就越低。经高频放大、检波、低放之后， 输出的直流电压反映了被测物的位移量。 以上几种情况见图3-42-1 0o u 1o u 2o u 3o u 1 f 2 f 3 f 0 f 0 2 1 3 图3-42-1 定频调幅式的谐振曲线 0-探头与被测物间距很远时1-非磁性金属与探头间距较小时

10、 2-非磁性金属、间距与探头 线圈直径相等时 3-磁性金属、间距较小时 （3）调频式电路 所谓调频式就是将探头线圈的电感量l与微调电容 c0构成lc振荡器，以振荡器的频率f作为输出量。此 频率可通过f/v转换器（又称鉴频器）转换成电压， 由表头显示。也可以直接将频率信号（ttl）信号 送到计算机的计数定时器，测出频率。如图3-43. lc0 lc 振 荡 器 高 频 放 大 器 限 幅 器 鉴 频 器 显示器 记录仪 xx 0 ll 0 ff 0 uu 0 功 率 放 大 器 ttl电平 计算机计数 定时器 图3-43调频式测量转换电路原理图 lc0 lc 振 荡 器 高 频 放 大 器 限

11、幅 器 鉴 频 器 显示器 记录仪 xx 0 ll 0 ff 0 uu 0 功 率 放 大 器 ttl电平 计算机计数 定时器 并联谐振回路的谐振频率为 0 2 1 lc f 当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电感量 l随之改变，引起lc振荡器的输出频率改变， 此频率可直接用计算机测量。用模拟仪表显示， 必须用鉴频器，将频率f转换为电压u。 5、电涡流传感器的应用 （1）位移测量 某些旋转机械，如高速旋转的汽轮机对轴向位移的 要求很高。当汽轮机运行时，叶片在高压蒸气推动 下高速旋转，它的主轴承受巨大的轴向推力。若主 轴的位移超过规定值时，叶片有可能与其他部件碰 撞而断裂。利用电涡流原理可以测

12、量汽轮机主轴的 轴向位移、电动机轴向窜动等。电涡流轴向位移监 测保护装置电涡流探头的安装如图444所示。 图3-44 轴向位移的监测 1-旋转设备（汽轮机） 2-主轴 3-轴联器 4-电涡流探头 5-发电机 6-基座 7-夹紧螺母 在设备停机时，将探头安装在与联轴器端面2mm距离 的机座上，调节二次仪表使示值为零。当汽轮机启动 后，长期监测其轴向位移量。可以发现，由于轴向推 力和轴承的磨损而使探头与联轴器端面的间隙减小， 二次仪表的输出电压从零开始增大。可调整二次仪表 面板上的报警设定值，使位移量达到危险值时，二次 仪表发出报警信号或发出停机信号以避免事故发生。 上述测量属于动态测量。 （2）

13、振动测量 电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的振幅、 频谱分布等参数。在研究机器振动时，常常采用多 个传感器放置在机器不同部位进行检测，得到各个 位置的振幅值和相位值，从而画出振型图，测量方 法如图445所示。 图4-45 振幅测量 （b）长轴多线圈测量（a）径向振动测量 （c）叶片振动测量 （3）转速测量 若旋转体上已开有一条或数条槽或做成齿状，则可在 旁边安装一个电涡流式传感器，如图446所示。当 转轴转动时，传感器周期地改变着与旋转体表面之间 的距离。于是它的输出电压也周期性地发生变化，此 脉冲电压信号经放大、变换后，可以用频率计测出其 变化的重复频率，从而测出转轴的转速，若转轴上开

14、z 个槽(或齿)，频率计的读数为f(单位为hz)，转速按下 式求得： z f n60 3-46 图3-46 转速测量 (a) 带凹槽转轴(b) 带凸槽转轴 （4）安全检测 图3-47 电涡流式通道安全检查门简图 图3-48 电涡流式通道安全检查门电路原理框图 安全门原理安全门原理：l11、l12为发射线圈，l21、l22为接收线 圈，密封在门框内。晶振产生的音频信号通过l11、l12 在线圈周围产生同频率的交变磁场。因为l11、l12与l21、 l22相互垂直，成电气正交状态，无磁路交链，u0=0。 当有金属物体通过l11、l12形成的交变磁场h1时，交变 磁场就会在该金属导体表面产生电涡流。

15、电涡流也将 产生一个新的微弱磁场h2，但与l21、l22不再正交，因 此可以在l21、l22中感应出电压。计算机根据感应电压 的大小确定金属物体的大小。 通常配置x光扫描仪进行成像扫描。更严格的用弱能 量的中子发射管和质谱仪来检测密封的箱包中的爆炸 物等化学物品。 （5）表面探伤 （7）探雷 （4）镀层厚度测量 图3-49 输油管表面裂纹检测 利用电涡流传感器可以检查金属表面(已涂防锈漆)的裂纹 以及焊接处的缺陷等。检测过程中，传感器与被测导体保 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，从而引起输出电压突变。 图3-49是用电涡流探头检测高压输油管表面裂纹的示意 图

16、。两只导向辊以相同的方向旋转，油管在它们的驱动下， 匀速地在楔形电涡流探头下方转动，并向前挪动。探头对 油管表面逐点扫描，得到图3-50的输出信号。当油管存在 裂纹时，电涡流所走的路程大为增加(见图3-49b)，所以电 涡流突然减小，输出波形如图3-50中的“尖峰”所示。该 信号十分紊乱，用肉眼很难分辨出缺陷性质。 将该信号通过带通滤波器，滤去表面不平整、抖动等因 素造成的异常输出后，得到图3-50b中的两个尖峰信号。 调节电压比较器的阈值电压，得到真正的缺陷信号。 图3-50 探伤输出信号 图3-51 金属镀层厚度检测 （6）金属镀层厚度检测 用电涡流原理可以测量塑料表面金属镀层的厚度， 以

17、及印刷电路版铜箔的厚度等。如图3-51所示。 由于存在集肤效应，镀层越簿，电涡流越小。根 据输出的电压大小确定厚度。事先需用电涡流仪 对标准厚度的镀层作出“厚度-输出”电压 的标定 曲线来对照。 （7）探雷 （8）接近开关简介 接近开关又称无触点行程开关。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， 就可以发出“动作”信号，而不象机械式 行程开关那样，需要施加机械力。它给出 的是开关信号(高电平或低电平)，多数接近 开关具有较大的负载能力，能直接驱动中 间继电器。 接近开关的核心部分是“感辨头”，它必须 对正在接近的物体有很高的感辨能力。在生 物界里

18、，眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的 红外线。而电涡流探头就能感辨金属导体的 靠近。 接近开关可以用于高速计数、测速，确定金 属物体的存在和位置，测量物位和液位，用 于人体保护和防盗以及无触点按钮等。接近 开关的定位精度、操作频率、使用寿命、安 装调整的方便性和耐磨性、耐腐蚀性等也是 一般机械式行程开关所不能相比的。 接近开关的外形如图3-52和3-53所示，可根据不同 的用途选择不同的型号。图中a）便于调整与被测 物的间距，b）、c）可用于板材的检测，d）、e） 可用于线材的检测。 图3-52 接近开关的结构形式一 a)圆柱形b)平面安装型 图3-53 接近开关的结构形式二 d)方形e)贯穿形

19、接近开关的特点接近开关的特点 与机械开关相比，接近开关具有如下特点： 非接触检测，不影响被测物的运行工况； 不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长； 响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒； 采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作 可靠性强； 无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防 爆的场合(防爆型)； 输出信号大，易于与计算机或可编程控制器 (plc)等接口； 体积小，安装、调整方便。 缺点:触点容量较小，输出短路时易烧毁。 接近开关的主要特性接近开关的主要特性 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 (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

20、距 离内，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干 扰而产生误动作； 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； 滞差特性 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15。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。若接近开关的 动作频率太低而被测物又运动得太快时，接近 开关就来不及响应物体的运动状态，有可能造 成漏检。 接近开关的规格及接线方式 图3-54所示是接近开关的一种典型的三线制接线方式。 图3-54 三线制

21、接近开关 图3-55 三线制接近开关之npn、oc门常开输出电路 当被测物体未靠近接近开关时，ib=0，oc门截止，out端 为高阻态(接入负载后为高电平)；当被测体靠近到动作距离 时，oc门的输出端对地导通，out端对地为低电平。 将中间继电器跨接在+vcc与out端上时，ka就处于吸合 (得电)状态。 图3-56 三线制接近开关输出波形 接近开关的应用实例 生产工件加工定位 在机械加工自动生产线上，可以使用接近开关进 行工件的加工定位，图3-57是它的示意图。当传 送机构将待加工的金属工件运送到靠近“减速” 接近开关的位置时，该接近开关发出“减速”信 号，传送机构减速，以提高定位精度。当金

22、属工 件到达“定位”接近开关面前时，定位接近开关 发出“动作”信号，使传送机构停止运行。紧接 着，加工刀具对工件进行机械加工。 图3-57 工件的加工定位 1-机床2-刀具3-工件4-加工位置5-减速接近开关 6-定位接近开关7-传送机构8-计数器及位置控制器 图3-58 工件的加工定位的感辨头及调幅式转换电路 工件定位感辨头的内部工作原理：当金属体接近感 辨头时，随着金属表面电涡流的增大，电涡流线圈 的q值越来越低，因为振荡器的能量被金属体所吸 收，所以其输出电压u01转来越低，甚至停振，使 u01=0。比较器将u01与基准电压ur作比较。当u01 ur时，比较器翻转，输出高电平，报警器报警 （闪亮），执行机构动作（停机）。 在该机构中，还可将“减速”接近开关的信号接到计 数器输入端。当传送带上的每一个工件从该开关经过 时，接近开关动作一次，输出一个计数脉冲，计数器 加1。 计数时涉及抖动导致的重复读数的问题，由于接近开 关的滞差特性而解决这一问题（如图3-59所示）。 图3-59 工件的加工定位的滞差特