3.3 电涡流式传感器

1、1电涡流式传感器n电涡流传感器可以测量位移、厚度、转速、振动、硬度等参数，还可以进行无损探伤，是一种应用广泛且有发展前途的传感器。n电涡流传感器是利用原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化），从而进行非电量电测的。涡流涡流当导体置于交变磁场当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导或在固定磁场中运动时，导体内引起感应电流，此电流体内引起感应电流，此电流在导体内闭合。在导体内闭合。23.3.1 电涡流式传感器的工作原理3.3.2 电涡流式传感器的类型3.3.3 涡流式传感器的应用电涡流式传感器3 线圈置于金属导体附近：线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号线圈中通以

2、高频信号 i1 正弦交变磁场正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场涡流产生电磁场H2 反作用于线圈反作用于线圈 ,改变了电感改变了电感 4n传感器线圈受涡流影响时的等效阻抗Z为为线圈与导体间的距离率为线圈中激磁电流的频因子为线圈与被测体的尺寸为被测体的磁导率为被测体的电阻率xfrxfrFZ),(52.等效电路n讨论电涡流式传感器时，可以把产生涡流讨论电涡流式传感器时，可以把产生涡流的金属导体等效成一个短路环，即假设电的金属导体等效成一个短路环，即假设电涡流只分布在环体内。可得等效电路：涡流只分布在环体内。可得等效电路：6n从能量角度来看，在被测导体内存

3、在着电涡从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。n能量损耗使传感器的能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z降低，降低，因此当被测体与传感器间的距离因此当被测体与传感器间的距离d改变时，改变时，传感器的传感器的Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z、电感、电感L均发生变均发生变化，于是把位移量转换成电量。化，于是把位移量转换成电量。7nR2为电涡流短路环等效电阻：为电涡流短路环等效电阻：nh为电涡流的深度，为电涡流的深度，ra为短路环外径，为短路环外径，ri为内径为内径n由基尔霍夫电压定律有：由基尔霍夫电压定律有：iarrhRl

4、n22222222221222222211122221121111)()(0LRRMLLLLRRMRRLjRIUZILjIRIMjUIMjILjIReqeqeqeq其中可得等效阻抗为：8结论：n由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部（等效电阻）增大，由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部（等效电阻）增大，虚部（等效电感）减小，线圈的等效品种因素下降。虚部（等效电感）减小，线圈的等效品种因素下降。n电涡流式传感器的等效参数都是互感系数电涡流式传感器的等效参数都是互感系数M2的函数。通常的函数。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此，电涡流总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此，电涡流式传感器

5、属于电感式（互感式）传感器。式传感器属于电感式（互感式）传感器。22222222122222221)()(LRRMLLLLRRMRReqeq93.测量电路n用于电涡流传感器的测量电路主要是调频式、调幅式测用于电涡流传感器的测量电路主要是调频式、调幅式测量电路两种。量电路两种。（1 1）调频式测量电路。）调频式测量电路。 传感器线圈作为传感器线圈作为LC振荡器的电感元件，当传感器等效电振荡器的电感元件，当传感器等效电感在涡流影响发生变化，导致振荡器的振荡频率发生变感在涡流影响发生变化，导致振荡器的振荡频率发生变化。由数字频率计测量频率，或通过变换后数字电压表化。由数字频率计测量频率，或通过变换后

6、数字电压表测量出对应的电压。测量出对应的电压。012fLC前前置置级级整整形形放放大大鉴鉴频频器器滤滤波波VDC10（2）调幅式测量电路）调幅式测量电路n当金属导体与传感器的相对位置为某一确定值时，当金属导体与传感器的相对位置为某一确定值时，LC振振荡回路的振动频率恰好等于激励频率荡回路的振动频率恰好等于激励频率f0，此时，回路呈现，此时，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上输出的电压也最大。的阻抗最大，谐振回路上输出的电压也最大。n当被测金属导体接近或远离线圈时，线圈电感当被测金属导体接近或远离线圈时，线圈电感L发生变化，发生变化，导致回路失谐，相应的谐振频率改变，等效阻抗减小，使导致回路失谐，相

7、应的谐振频率改变，等效阻抗减小，使输出电压幅值减小。输出电压幅值减小。源源极极跟跟踪踪器器交交流流放放大大器器检检波波滤滤波波器器xVDC振荡器振荡器RC0L11)(5030cmfhr式中式中, 导体电阻率导体电阻率(cm)； r导体相对磁导率；导体相对磁导率； 交变磁场频率交变磁场频率(Hz)。3.3.2电涡流式传感器的类型涡流穿透深度涡流穿透深度 h 与激励频率有关，所以电涡流与激励频率有关，所以电涡流式传感器根据激励频率高低，可分为高频反射式传感器根据激励频率高低，可分为高频反射式和低频透射式两类。式和低频透射式两类。涡流穿透深度涡流穿透深度h与激励频率有关，与激励频率有关， 磁场变化频

8、磁场变化频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流的穿率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流的穿透深度越小，其穿透深度为：透深度越小，其穿透深度为：线圈 框架 3框架衬套4 支架 5电缆 6插头1.高频反射式涡流传感器13下图所示为高频反射式涡流传感器工作原理。 金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1。n涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度t，金属板与线圈的距离x，激励电流角频率等参数有关。n若改变其中某参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。142. 低频透射式涡流传感器 透射式涡流传感

9、器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据测厚的依据: E的大小间接反映了M的厚度t发射线圈接收线圈15 由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。16 但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。17当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗的值是不同的，从而使Et曲线的形状发生变化。 在t较小的情况下，Q小曲线的斜率大于Q大曲线的斜率；而在t较大的情况下，Q大曲线的斜率大于Q小曲线的斜率。 测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选

10、较低的频率。321123fffffffQeEsQts/，而)(5030cmfhr18测试频率与材料关系n对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不同时，渗透深度Q渗的值也不相同，于是又引起Et曲线形状的变化，为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保持Q不变，这时应该相应地改变f。n测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的 (500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时，则选用较高的 (2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。193.3.3 涡流式传感器的应用x, x被 测 参 数变 换 量特 征位移、厚度、振动 （1）非接触测量，连续测量 （2）受剩磁的影响。表面温

11、度、电解质浓度材质判别、速度（温度） (1)非接触测量，连续测量； (2) 对温度变化进行补偿应力、硬度 （1） 非接触测量，连续测量； （2） 受剩磁和材质影响探伤 可以定量测量201位移测量位移测量(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图 1-被测体 2-传感器探头212 振幅测量振幅测量(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近1-被测体 2-传感器探头223 3厚度测量厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图 1-被测体 2-传感器探头234 4转速测量转速测量60nfN f频率值(Hz)； n旋转体的槽(齿)数； N被测轴的转速(rmin)。 245. 5. 涡流探伤涡流探伤 原理原理: :裂纹检测，缺陷造裂纹检测，缺陷造成涡流变化。成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测25n可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 n综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。 n在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号 26a)比较浅的裂缝信号比较