电感式电涡流

1、关于电感式电涡流第一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月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激励电流的频率有关。根据电涡流在导体内的渗透情况，电涡流传感器分为：高频反射式低频投射式第二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 4.3.1 工作原理第三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时， 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 I2 ， I2 又产生新的交变磁场 H2 。 第四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 根据愣次定律，H2的作用将阻碍原磁场 H1 的变化。 由于磁场H2的作用，

2、涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。第五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 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。 电涡流效应既与被测体的、以及几何形状有关，第六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 还与激磁线圈的几何参数、激磁线圈中激磁电流频率 f 有关，同时还与激磁线圈与导体间的距离 x 有关。 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关系式为 ： 第七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 Z=F (, r, f, x) r 为激磁线圈与被测体的尺寸因子。 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

3、Z 就仅仅是这个参数的单值函数。 第八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z 的变化量，即可实现对该参数的测量。 4.3.2 基本特性 第九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流式传感器简化模型 第十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 在被测金属导体上形成的电涡流可等效为一个短路环， 即假设电涡流仅分布在环体之内。 第十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流的轴向贯穿深度 h 贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的 1/e （0.37）处的表面厚度。 f 为线圈激磁电流的频率。 第十二张，PPT共八十一页，创作于2

4、022年6月 电涡流式传感器简化模型 第十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流的等效电路图。 第十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 R2为电涡流短路环等效电阻 第十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流式传感器简化模型 第十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 第十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 根据基尔霍夫第二定律 第十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月线圈激磁电流角频率； R1线圈电阻；L1线圈电感；L2短路环等效电感； R2短路环等效电阻；M互感系数。 第十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月等效阻抗 Z

5、为 第二十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 Req线圈受电涡流影响后的等效电阻 第二十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 线圈的等效品质因数Q值为 第二十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 4.3.3 电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围 线圈与导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离 x 的函数，又是沿线圈半径方向 r 的函数。第二十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 当 x 一定时，电涡流密度 J 与半径 r 的关系曲线如图4-25所示。第二十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流密度J与半径r的关系曲线 第二十五张，PPT共

6、八十一页，创作于2022年6月 J0 为金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值。 Jr为半径 r 处的金属导体表面电涡流密度。 第二十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。 第二十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流密度J与半径r的关系曲线 第二十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流密度在 ri=0 处为零。 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。 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（图中阴影部分）。 第二十九张，PPT共八十一页，创作于2

7、022年6月 电涡流密度J与半径r的关系曲线 第三十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 2. 电涡流强度与距离的关系 当 x 改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离 x 的变化而变化。第三十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 金属导体表面的电涡流强度 第三十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月I1线圈激励电流； I2金属导体中等效电流； x线圈到金属导体表面距离； ras线圈外径。 第三十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月电涡流强度与距离归一化曲线第三十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 金属导体表面的电涡流强度 第三十五张，PPT共八十

8、一页，创作于2022年6月 电涡流强度与距离 x 呈非线性关系，且随着 x/ras 的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在 x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。 第三十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 金属导体表面的电涡流强度 第三十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月电涡流强度与距离归一化曲线第三十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 3. 电涡流的轴向贯穿深度 贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的 1/e 处的表面厚度。 由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一

9、定的径向范围内。 第三十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 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。第四十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 d金属导体中某一点与表面的距离； Jd沿 H1 轴向 d 处的电涡流密度； J0金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值； h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。 第四十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 电涡流密度轴向分布曲线 第四十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月电涡流密度主要分布在表面附近。 被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则 h 愈大。 第四十三张，PPT共

10、八十一页，创作于2022年6月 4.3.4 电涡流传感器测量电路 测量电路的种类： 调频式 调幅式。 第四十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 1. 调频式电路 第四十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路 第四十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 第四十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 第四十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离 x 改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化。 将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离 x 的函数，即 f =

11、 L (x) 。 该频率可由数字频率计直接测量， 或者通过 fV 变换，用数字电压表测量对应的电压。 第四十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 振荡器电路如图(b)所示。 它由克拉泼电容三点式振荡器( C2、C3、L、C 和1 )以及射极输出电路两部分组成。 第五十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 第五十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 第五十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将 L、C 装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3 上，因而对振荡频率 f 的影响将大大减小。 第五十三张，PPT共八十一

12、页，创作于2022年6月 2. 调幅式电路第五十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月调幅式测量电路示意图 第五十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成振荡电路。 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（f0）稳定的激励电流 io 。 第五十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月LC 回路输出电压 Z为 LC 回路的阻抗。 第五十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月调幅式测量电路示意图 第五十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率 fo 回路呈现

13、的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大； 当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐。第五十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 从而使输出电压降低，L的数值随距离 x 的变化而变化。 输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出 x 的大小。 除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。 第六十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 4.3.5 涡流式传感器的应用 1.低频透射式涡流厚度传感器 2.高频反射式涡流厚度传感器 3. 电涡流式转速传感器 第六十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 1.低频透射式涡流厚度传感器第六十二张，PPT共八十一页，创作

14、于2022年6月 透射式涡流厚度传感器结构原理图 第六十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈 L1 ，在被测金属板下方设有接收传感器线圈 L2 。 当在 L1 上加低频电压 U1 时，L1 上产生交变磁通1，第六十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2 。第六十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 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电涡流, 并将贯穿金属板。 此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2 产生的感应电压

15、U2下降。第六十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 金属板越厚，涡流损失就越大，电压 U2 就越小。 因此，可根据 U2 电压的大小得知被测金属板的厚度。第六十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1100 mm， 分辨率为 0.1m， 线性度为 1%。第六十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 2.高频反射式涡流厚度传感器 第六十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 第七十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 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、下两侧对称地设置了

16、两个特性完全相同的涡流传感器 S1 和 S2 。 若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数。第七十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 两传感器的输出电压之和为 2Uo ，数值不变。 如果被测带材厚度改变量为，则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2UoU。 第七十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 U 经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。第七十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 3. 电涡流式转速传感器 第七十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月电涡流式转速传感器工作原理图 第七十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。 第七十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d 的变化而变化，从而导致振荡回路的Q发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。 随着输入轴的旋转，振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。 第七十七张，PPT