电涡流传感器

1、 本章学习本章学习电涡流电涡流传感器的原传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性参数及应用。理、结构、特性参数及应用。第一节第一节 电涡流传感器工作原理电涡流传感器工作原理 一、电涡流效应一、电涡流效应 电涡流传感器是根据电涡流效应进行工作的，即利用金属导体置于变化的磁场中，产生感应电流，从而在金属体内形成自行闭合的电涡流线，这种现象称为电涡流效应。电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线圈与金属板的距离当电涡流线圈与金属板的距离x x 减小时，电涡流线圈的等减小时，电涡流线圈的等效电感效电感L L 减小，等效电阻减小，等效电阻R R 增大。感抗增大。感

2、抗X XL L的变化比的变化比R R的变化大的变化大 得多，流过电涡流线圈的电流得多，流过电涡流线圈的电流i i1 1增大。增大。 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高频信号i i1 1正弦交变磁场正弦交变磁场H H1 1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反作用于线圈改变了电感反作用于线圈改变了电感电涡流原理电涡流原理电涡流的应用电涡流的应用 干净、高效的电磁炉干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流通高频电流通过励磁线圈，产过励磁线圈，产生交变磁场，在生交变

3、磁场，在铁质锅底会产生铁质锅底会产生无数的电涡流，无数的电涡流，使锅底自行发热，使锅底自行发热，烧开锅内的烧开锅内的 食食物。物。电电涡流传感器的等效电路涡流传感器的等效电路把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。电电涡流传感器等效电路涡流传感器等效电路MMR RL L1 1L LR R1 11U1II根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：.UIMjILjIR110.11.11.ILjIRIMj111LjRIMjI.121

4、212212121221212111221111LLRMLjRLRMRU LRLjRMLjRU LjRMjMjLjRUI.传感器线圈的等效阻抗为：121212212121221LLRMLjRLRMRIUZ.线圈的等效电阻和电感为：1212122RLRMRReq1212122LLRMLLeq当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。三、等效阻抗分析三、等效阻抗分析 检测深度与激励源频率有何关系？检测深度与激励源频率有何关系？ 电涡流线圈等效阻抗电涡流线圈等效阻抗Z Z的函数表达式为：的函数表达式为： Z=R+j

5、L=f（i1、f、 、 、r、x） 如果控制上式中的如果控制上式中的i i1 1、f f、 、 、r r不变，电涡不变，电涡流线圈的阻抗可以反映哪个量？属于接触式测量还流线圈的阻抗可以反映哪个量？属于接触式测量还是非接触式测量？是非接触式测量？ 电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率、磁导率及线圈的几何参数、激励电流的频率及导率、磁导率及线圈的几何参数、激励电流的频率及线圈到被测金属导体的距离等参数有关。线圈到被测金属导体的距离等参数有关。等效阻抗与非电量的测量等效阻抗与非电量的测量 检测深度的控制：检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流

6、只能由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变检测导体表面的各种物理参数。改变f f，可控制检测深，可控制检测深度。激励源频率一般设定在度。激励源频率一般设定在100kHz-1MHz100kHz-1MHz。频率越低，。频率越低，检测深度越深。检测深度越深。 间距的测量：间距的测量：如果控制式中的如果控制式中的i i1 1、f f、 、 、r r不变，不变，电涡流线圈的阻抗电涡流线圈的阻抗Z Z就成为间距就成为间距x x的单值函数，这样就的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。成为非接触地测量位移的传感器。 其他用途：其他用途：如果控制如果控制x x、i i1 1、f

7、f不变，就可以用来检测不变，就可以用来检测与表面电导率与表面电导率 有关的有关的表面温度表面温度、表面裂纹表面裂纹等参数，或等参数，或者用来检测与材料磁导率者用来检测与材料磁导率 有关的有关的材料材料型号、型号、表面硬度表面硬度等参数。等参数。 涡流涡流式传感器的应用式传感器的应用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 可以定量测量二、集肤效应二、集肤效应 集肤效应与激励源

8、频率集肤效应与激励源频率f f、工件的电导率、工件的电导率 、磁导率磁导率 等有关。等有关。频率频率f f越高，电涡流的渗透的深越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重度就越浅，集肤效应越严重。 当金属导体置于变化的磁场中，产生电涡流，当金属导体置于变化的磁场中，产生电涡流，而电涡流在金属导体的纵深方向并不均匀，只集中而电涡流在金属导体的纵深方向并不均匀，只集中在金属导体的表面，这种现象称为集肤效应（也称在金属导体的表面，这种现象称为集肤效应（也称趋肤效）。趋肤效）。电涡流传感器的种类电涡流在金属导体内的渗透深度为:fhr5030说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率

9、有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。l高频高频(lMHzlMHz) )激励电流产生的高频磁场作用于金属板的激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化。线圈自感的变化。线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化与距离该金属板的电阻率的变化与距离该金属板的电阻率 、磁导率、磁导率 、激励电、激励电流流i

10、i及角频率及角频率 等有关，若只改变距离等有关，若只改变距离 而保持其它参数而保持其它参数不变，则可将不变，则可将位移位移的变化转换为线圈的变化转换为线圈自感自感的变化，通的变化，通过测量电路转换为电压输出。过测量电路转换为电压输出。l高频反射式涡流传感器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。 1.高频反射式电涡流传感器由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为下图为CZF1CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线型涡流传感器的结构原理

11、，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。 1234561 1 线圈线圈 2 2 框架框架 3 3 衬套衬套4 4 支架支架 5 5 电缆电缆 6 6 插头插头高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。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）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。 发射线圈发射线圈L L1 1和和接收

12、线圈接收线圈L L2 2分置于被测金属板的上下分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频( (音音频范围频范围) )电压电压u u1 1加到线圈加到线圈L L1 1的两端后，所产生磁力的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板线的一部分透过金属板, ,使线圈使线圈L L2 2产生感应电动势产生感应电动势u u2 2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u u2 2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势电动势u u2 2越小。因此，越小。

13、因此，u u2 2的大小与金属板的厚度及的大小与金属板的厚度及材料的性质有关材料的性质有关. .试验表明试验表明u u2 2随材料厚度随材料厚度h h的增加按的增加按负指数规律减少负指数规律减少, ,因此，若金属板材料的性质一定，因此，若金属板材料的性质一定，则利用则利用u u2 2的变化即可测厚度。的变化即可测厚度。测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），

14、从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。第二节第二节 电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场一、传感元件：一、传感元件：电涡流探头电涡流探头。 是一个固定在框架上的扁平线圈，激励源频率较高（数十千赫至数兆赫）。电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1 1电涡流线圈电涡流线圈 2 2探头壳体探头壳体 3 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4 4印制线路板印制线路板 5 5夹持螺母夹持螺母 6 6电源指示灯电源指示灯 7 7阈值指示灯阈值指示灯 8 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9 9电缆插头电缆插头 CZF-1CZF-1系

15、列传感器的性能系列传感器的性能 分析上表：分析上表： 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？ 二、被测体材料、形状对灵敏度的影响二、被测体材料、形状对灵敏度的影响（1 1）被测体材料：）被测体材料：对非磁性材料：对非磁性材料：被测体的电导率越高，灵敏度越高对磁性材料：对磁性材料：磁导率影响是电涡流线圈的感抗，磁滞损耗 影响电涡流线圈的Q值，灵敏度视具体情况而定（2 2）被测体形状）被测体形状圆盘状物体：圆盘状物体：物体直径应大于线圈直径的2倍以上，否则 灵敏度降低轴状圆柱体的圆弧表面轴状圆柱体的圆弧表面：直径必须为线圈直径的4倍以上大直径电涡流探雷

16、器大直径电涡流探雷器 第三节第三节 测量转换电路测量转换电路 一、调幅式（一、调幅式（AMAM）电路）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压用于激励电涡石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响。反映了金属体对电涡流线圈的影响。l当被测体为当被测体为非磁性金属非磁性金属时，时，探头线圈的等效电感探头线圈的等效电感L L减小

17、、减小、R R增大，引起增大，引起Q Q值下降。并联值下降。并联谐振回路的谐振频率谐振回路的谐振频率f1f0f1f0，处于失谐状态，输出电压大处于失谐状态，输出电压大大降低。大降低。l当被测体为当被测体为磁性金属磁性金属时，探时，探头线圈的等效电感头线圈的等效电感L L略增大、略增大、Q Q值下降，输出电压也大大降值下降，输出电压也大大降低。低。l被测体与探头被测体与探头间距越小，输间距越小，输出电压越低出电压越低。二、调频（二、调频（FMFM）式电路）式电路(100kHz-1MHz(100kHz-1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x x改变时，电涡流线圈改变时，

18、电涡流线圈的电感量的电感量L L也随之改变，引起也随之改变，引起LCLC振荡器的输出频率变化，振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将或记录时，必须使用鉴频器，将 f f转换为电压转换为电压 U Uo o。 并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的电感量设电涡流线圈的电感量L L=0.8mH=0.8mH，微调电容，微调电容C C0 0=200pF=200pF，求振荡器的频率，求振荡器的频率f f 。01 4-32fLC鉴频器特性鉴频器特性 使用鉴频器可以将使用鉴频器

19、可以将 f f 转换为电压转换为电压 U Uo o鉴频器的输出电压与输入频率成正比鉴频器的输出电压与输入频率成正比鉴频器在调频式电路中的应用鉴频器在调频式电路中的应用 设电路参数如上页，设电路参数如上页，计算电涡流线圈未接近计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电金属时的鉴频器输出电压压U Uo o；若电涡流线圈靠；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头近金属后，电涡流探头的输出频率的输出频率f f 上升为上升为500kHz500kHz， f f 为多少？输为多少？输出电压出电压U Uo o又为多少？又为多少？第四节第四节 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，

20、例如金电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器结果。所以电涡流传感器多用于定性测量多用于定性测量。 即使要即使要用作定量测量，也必须采用

21、逐点标定、计算机线性用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。纠正、温度补偿等措施。 一、位移测量一、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出

22、与被检物体的距离、振动等参数。变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于这种位移传感器属于非接触测量非接触测量，工作时不受灰尘等，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。使用。位移传感器的分类位移传感器的分类 （a a）测量轴的）测量轴的 轴向振动轴向振动1 1、位移计的几种实例、位移计的几种实例（c c）测量金属试）测量金属试件的热膨胀系数件的热膨胀系数（b b）测量磨床换向阀、先）测量磨床换向阀、先导阀的轴位移导阀的轴位移 位移测量包含偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变位移测量包含偏心、间隙、位置

23、、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等，来自形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等，来自不同应用领域的许多量都可归结为不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化位移或间隙变化。2 2、位移测量仪外形、位移测量仪外形数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头 电涡流传感器可用来测电涡流传感器可用来测量各种形状量各种形状金属导体金属导体试件的试件的位移量。如汽轮机主轴的轴位移量。如汽轮机主轴的轴向位移。测量位移范围可从向位移。测量位移范围可从0 01mm1mm到到0 030mm30mm。 4-20mA4-20mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形齐平式电涡流位移齐平式

24、电涡流位移传感器外形传感器外形齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器外形传感器外形齐平式齐平式V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器性能一览表传感器性能一览表3 3、电涡流位移传感器的应用、电涡流位移传感器的应用偏心和振动检测偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量金属薄膜、板材厚度电涡流

25、测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度测量尺寸、公差及零件识别测量尺寸、公差及零件识别通过测量间隙来测定通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移热膨胀引起的上下平移测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小间隙越大，电涡流越小测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙间距间距位移的标定方法位移的标定方法 使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。性化的目的。电涡流位移传感器的距离电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线与输出电压特性曲线1 1

26、量程为量程为10mm 210mm 2量程为量程为16mm 316mm 3量程为量程为20mm20mm二、振动测量二、振动测量 用电涡流探头、用电涡流探头、调幅法调幅法测量简谐振动时，探测量简谐振动时，探头的输出波形。头的输出波形。调频法调频法测量振动的波形测量振动的波形振动测量振动测量振动测量实例振动测量实例 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅测量悬臂梁的振幅及频率及频率三、转速测量三、转速测量 在金属旋转体上开一条或数条槽，在靠近金属旋转在金属旋转体上开一条或数条槽，在靠近金属旋转体的地方安装一个电涡流传感器，当转轴转动时，传感体的地方安装一个电涡流传感器，当转轴转动时，传感器周

27、期性地改变着与旋转体表面之间的距离，其输出也器周期性地改变着与旋转体表面之间的距离，其输出也周期性地变化，此信号经放大、变换后，可用频率计测周期性地变化，此信号经放大、变换后，可用频率计测出其变化频率，从而测得转轴的转速。出其变化频率，从而测得转轴的转速。 转速测量过程转速测量过程 若转轴上开若转轴上开z z个槽个槽( (或齿或齿) )，频率计的读数为，频率计的读数为f f（单位为（单位为HzHz），则转轴的转速），则转轴的转速n n（单位为（单位为r/minr/min）的）的计算公式为计算公式为 60 fnz齿轮转速测量齿轮转速测量例：下图中，设齿数例：下图中，设齿数z z =48=48，测得频率，测得频率f f=120Hz=120Hz，求该齿轮的转速求该齿轮的转速n n 。60 fnz电动机电动机转速测量转速测量四、镀层厚度测量四、镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层小。测量前，可先用电