第4章电感式3电涡流

1、4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应定律，块状金根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体至于变化的磁场中或在磁场属导体至于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将中作切割磁力线运动时，导体内将产生成漩涡状的感应电流，此电流产生成漩涡状的感应电流，此电流称为电涡流，以上现象称为电涡流称为电涡流，以上现象称为电涡流现象。现象。根据电涡流效应制成的传感器称为根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流式传感器。在金属导体内产生的涡流存在趋肤在金属导体内产生的涡流存在趋肤效应，即涡流渗透的深度与传感器效应，即涡流渗透的深度与传感器激励电流的频率有关。激励电流的频率有关

2、。根据电涡流在导体内的渗透情况，根据电涡流在导体内的渗透情况，电涡流传感器分为：电涡流传感器分为：高频反射式高频反射式低频投射式低频投射式 1I1H传 感 器 激 励 线 圈(a)(b)2H2I被 测 金 属 导 体传 感 器 激 励 电 流4.3.1 工作原理工作原理 传感器线圈通以正弦交变电流传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，时， 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1， 使金属导体产生感应电涡流使金属导体产生感应电涡流 I2 ， I2 又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场 H2 。 根据根据愣次愣次定律，定律，H2的作用将阻碍原的作用将阻碍原磁场磁场 H

3、1 的变化。的变化。 由于磁场由于磁场H2的作用，涡流要消耗一的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗等效阻抗发生变化。发生变化。 由上可知，线圈阻抗的变化完全取由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。决于被测金属导体的电涡流效应。 电涡流效应既与电涡流效应既与被测体被测体的的、以及以及几何形状有关，几何形状有关， 还与还与激磁线圈激磁线圈的几何参数、激磁线的几何参数、激磁线圈中激磁电流频率圈中激磁电流频率 f 有关，同时还与激有关，同时还与激磁线圈与导体间的距离磁线圈与导体间的距离 x 有关。有关。 传感器线圈受电涡流影响时的等效传

4、感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗阻抗 Z 的函数关系式为的函数关系式为 ： Z=F (, r, f, x) r 为为激磁线圈激磁线圈与与被测体被测体的尺寸因子。的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变，而如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数。就仅仅是这个参数的单值函数。 通过与传感器配用的测量电路测通过与传感器配用的测量电路测出阻抗出阻抗 Z 的变化量，即可实现对该参的变化量，即可实现对该参数的测量。数的测量。 4.3.2 基本特性基本特性 电涡流式传感器简化模型 ras1xhrari(r)231 传

5、 感 器 线 圈 ；2 短 路 环 ；3 被 测 金 属 导 体 在被测金属导体上形成的电涡流可在被测金属导体上形成的电涡流可等效为一个等效为一个短路环短路环， 即假设电涡流仅分布在环体之内。即假设电涡流仅分布在环体之内。 电涡流的电涡流的轴向贯穿深度轴向贯穿深度 h 贯穿深度是指把电涡流强度减小到贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的表面强度的 1/e （0.37）处的表面）处的表面厚度厚度。0rhf f 为线圈激磁电流的频率。为线圈激磁电流的频率。 电涡流式传感器简化模型 ras1xhrari(r)231 传 感 器 线 圈 ；2 短 路 环 ；3 被 测 金 属 导 体1UL1L212

6、R1R2M2I1I1传 感 器 线 圈 ； 2电 涡 流 短 路 环 电涡流的等效电路图。电涡流的等效电路图。 R2为电涡流短路环等为电涡流短路环等效电阻效电阻 221aiRrhnr 电涡流式传感器简化模型 ras1xhrari(r)231 传 感 器 线 圈 ；2 短 路 环 ；3 被 测 金 属 导 体 1UL1L212R1R2M2I1I1传 感 器 线 圈 ； 2电 涡 流 短 路 环 根据根据基尔霍夫基尔霍夫第二定律第二定律 1 11 121122220R Ij L Ij MIUj MIR Ij L I线圈激磁电流角频率；线圈激磁电流角频率； R1线圈电阻；线圈电阻；L1线圈电感；线圈

7、电感；L2短路环等效电感；短路环等效电感； R2短路环等效电阻；短路环等效电阻；M互感系数。互感系数。 等效阻抗等效阻抗 Z 为为22221121222222212222eqeqUMMZRRjLLIRLRLRj L Req线圈受电涡流影响后的等效电阻线圈受电涡流影响后的等效电阻 221222222eqMRRRRL 线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数Q值为值为 e qe qLQR 4.3.3 电涡流形成范围电涡流形成范围 1. 电涡流的电涡流的径向径向形成范围形成范围 线圈与导体系统产生的线圈与导体系统产生的电涡流密度电涡流密度既是线圈与导体间距离既是线圈与导体间距离 x 的函数，又是的函数，

8、又是沿线圈半径方向沿线圈半径方向 r 的函数。的函数。 当当 x 一定时，电涡流密度一定时，电涡流密度 J 与半径与半径 r 的关系曲线如图的关系曲线如图4-25所示。所示。 电涡流密度J与半径r的关系曲线 J0 为金属导体表面电涡流密度，为金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值。即电涡流密度最大值。 Jr为半径为半径 r 处的金属导体表面电涡处的金属导体表面电涡流密度。流密度。 电涡流径向形成范围大约在传感电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径器线圈外径ras的的1.82.5倍范围内，且倍范围内，且分分布不均匀。布不均匀。 电涡流密度J与半径r的关系曲线 电涡流密度在电涡流密度在 ri

9、=0 处为零。处为零。 电涡流的最大值在电涡流的最大值在r=ras附近的一附近的一个狭窄区域内。个狭窄区域内。 可以用一个平均半径为可以用一个平均半径为 的短路环来集中表示分散的电涡流（图的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。中阴影部分）。 2iaasasrrrr 电涡流密度J与半径r的关系曲线 2. 电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 当当 x 改变时，电涡流密度也发生变改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离化，即电涡流强度随距离 x 的变化而变的变化而变化。化。 金属导体金属导体表面表面的电涡流强度的电涡流强度 21221asxIIxrI1线圈激励电流；线圈激

10、励电流； I2金属导体中等效电流；金属导体中等效电流； x线圈到金属导体表面距离；线圈到金属导体表面距离； ras线圈外径。线圈外径。 电涡流强度与距离归一化曲线1.00.80.60.40.20123456I2 / I1x / ras 金属导体金属导体表面表面的电涡流强度的电涡流强度 212/11asasxrIIxr 电涡流强度与距离电涡流强度与距离 x 呈非线性关呈非线性关系，且随着系，且随着 x/ras 的增加而迅速减小。的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在时，只有在 x/ras1(一般取一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和

11、较高的的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。灵敏度。 金属导体金属导体表面表面的电涡流强度的电涡流强度 212/11asasxrIIxr电涡流强度与距离归一化曲线1.00.80.60.40.20123456I2 / I1x / ras 3. 电涡流的电涡流的轴向贯穿深度轴向贯穿深度 贯穿深度是指把电涡流强度减小到贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的表面强度的 1/e 处的表面厚度。处的表面厚度。 由于金属导体的由于金属导体的趋肤效应趋肤效应，电磁场，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内。面薄层和一定的径向范围内。 导体中产生

12、的电涡流强度随导体导体中产生的电涡流强度随导体厚度的增加按指数规律下降。厚度的增加按指数规律下降。/0d hdJJ e d金属导体中某一点与表面的距离；金属导体中某一点与表面的距离； Jd沿沿 H1 轴向轴向 d 处的电涡流密度；处的电涡流密度； J0金属导体表面电涡流密度，即电涡金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；流密度最大值； h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。度）。 电涡流密度轴向分布曲线 JdJ0 / eohdJ0电涡流密度主要分布在表面附近。电涡流密度主要分布在表面附近。 0rhf 被测体电阻率愈大，相对导磁率愈被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，

13、以及传感器线圈的激磁电流频率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则低，则 h 愈大。愈大。 4.3.4 电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路 测量电路的种类：测量电路的种类： 调频式调频式 调幅式。调幅式。 1. 调频式电路调频式电路 调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路 频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f 频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f 频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R

14、4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f 传感器线圈接入传感器线圈接入LC振荡回路，当振荡回路，当传感器与被测导体距离传感器与被测导体距离 x 改变时，在涡改变时，在涡流影响下，流影响下，传感器的电感变化传感器的电感变化。 将导致振荡频率的变化，该变化的将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离频率是距离 x 的函数，即的函数，即 f = L (x) 。 该频率可由该频率可由数字频率计数字频率计直接测量，直接测量， 或者通过或者通过 fV 变换，用变换，用数字电压数字电压表表测量对应的电压。测量对应的电压。 振荡器电路如图振荡器电路如图(b)所示。所示。 它由它由克拉泼

15、克拉泼电容三点式振荡器电容三点式振荡器( C2、C3、L、C 和和1 )以及以及射极输出电路射极输出电路两部两部分组成。分组成。 频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f 12( )fL x C 为了避免输出电缆的分布电容的影为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将响，通常将 L、C 装在传感器内。装在传感器内。 此时电缆分布此时电缆分布电容电容并联并联在大电容在大电容C2、C3 上，因而对振荡频率上，因而对振荡频率 f 的影响将大大的影响将大大减小。减小。 2. 调幅式电路调幅式电路调幅式测量电路示意图 放 大检

16、 波指 示RioLCUo 传感器线圈传感器线圈L、电容器、电容器C和石英晶和石英晶体组成振荡电路。体组成振荡电路。 石英晶体振荡器起恒流源的作用，石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的）稳定的激励电流激励电流 io 。 LC 回路输出电压回路输出电压( )ooUi f Z Z为为 LC 回路的阻抗。回路的阻抗。 调幅式测量电路示意图 放 大检 波指 示RioLCUo 当金属导体远离或去掉时，当金属导体远离或去掉时，LC并联并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率谐振回路谐振频率即为石英振荡频率 fo 回路呈现的阻抗最大，谐振回路上回路呈现的阻抗最

17、大，谐振回路上的输出电压也最大；的输出电压也最大； 当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感等效电感L发生变化，导致回路失谐。发生变化，导致回路失谐。 从而使输出电压降低，从而使输出电压降低，L的数值随的数值随距离距离 x 的变化而变化。的变化而变化。 输出电压经放大、检波后，由指示输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出仪表直接显示出 x 的大小。的大小。 除此之外，除此之外，交流电桥交流电桥也是常用的测也是常用的测量电路。量电路。 4.3.5 涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用 1.低频透射式涡流低频透射式涡流厚度厚度传感器传感器 2.高频反射式涡

18、流高频反射式涡流厚度厚度传感器传感器 3. 电涡流式电涡流式转速转速传感器传感器 1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器 透射式涡流厚度传感器结构原理图 被测金属板L1L2111U2U 在被测金属板的上方设有在被测金属板的上方设有发射发射传感传感器线圈器线圈 L1 ，在被测金属板下方设有，在被测金属板下方设有接收接收传感器线圈传感器线圈 L2 。 当在当在 L1 上加低频电压上加低频电压 U1 时，时，L1 上上产生交变磁通产生交变磁通1， 若两线圈间无金属板，则交变磁通若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至直接耦合至L2中，中，L2产生感应电压产生感应电压U2 。 将被测金属

19、板放入两线圈之间，将被测金属板放入两线圈之间，L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流电涡流, 并将贯穿金属板。并将贯穿金属板。 此时磁场能量受到损耗，使到达此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为的磁通将减弱为1，从而使，从而使L2 产生的感产生的感应电压应电压U2下降。下降。 金属板越厚金属板越厚，涡流损失就越大，涡流损失就越大，电电压压 U2 就越小就越小。 因此，可根据因此，可根据 U2 电压的大小得知电压的大小得知被测金属板的厚度。被测金属板的厚度。 透射式涡流厚度传感器的检测范围透射式涡流厚度传感器的检测范围可达可达1100 mm， 分辨

20、率为分辨率为 0.1m， 线性度为线性度为 1%。 2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 厚 度 给 定 系 统S1检 波比 较 电 压检 波S2加 法 器指 示 仪 表带 材xx1x2 为了克服带材不够平整或运行过程为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器流传感器 S1 和和 S2 。 若带材厚度不变，则被测带材上、若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有下表面之间的距离总有x1+x2=常数。常数。 两传感器的输出电压之和为两传感器的输出电压之和为 2Uo ，数值不变。数值不变。 如果被测带材厚度改变量为如果被测带材厚度改变量为，则，则两传感器与带材之间的距离也改变一个两传感器与带材之间的距离也改变一个，两传感器输出电压此时为，两传感器输出电压此时为2UoU。 U 经放大器放大后，通过指示仪表经放大器放大后，通过指示仪表即可指示即可指示出带材的厚度变化值。出带材的厚度变化值。 3. 电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 电涡流式