电涡流式传感器

本次课的内容1、电涡流效应。2、电涡流传感器的特点。3、了解电涡流传感器的应用。3.4电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内引起感应电流，此电流在导体内闭合,称为涡流。上一页下一页返回穿透深度式中,ρ——导体电阻率(Ω·cm)；

r——导体相对磁导率；ƒ——交变磁场频率(Hz)。电涡流式传感器3.4.1高频反射式涡流传感器3.4.2低频透射式涡流传感器3.4.3涡流式传感器的应用上一页下一页返回3.4.1高频反射式涡流传感器1.根本原理2．等效电路3.传感器的结构4.测量电路上一页下一页返回由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;

电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;

形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中1.根本原理线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等上一页下一页返回电涡流式传感工作原理把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生对抗H1的交变磁场H2。电感式传感器电涡流式传感等效电路分析

根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用。

电感式传感器等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：电涡流式传感等效电路分析等效电感为：

电感式传感器解方程得到传感器的等效阻抗等效电阻为：电涡流式传感等效电路分析结论：但凡能引起R2L2M变化的物理量均可以引起传感器线圈R1、L1的变化。被测体〔金属〕的电阻率ρ导磁率μ厚度d，线圈与被测体间的距离X，鼓励线圈的角频率ω等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系

电感式传感器R2L2M

L1

R1Xωμρd电涡流演示〔互感〕电涡流式传感等效电路分析结论：ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1发生变化，假设控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。

电感式传感器

等效阻抗与这些参数有函数关系：

2．等效电路电感LE表示金属板对涡流呈现的电感效应电阻RE表示在金属板上的涡流损耗互感系数M表示LE与原线圈L之间的相互作用R为原线圈L的损耗电阻C为线圈与装置的分布电容上一页下一页返回考虑到涡流的反射作用，L两端的阻抗ZL可用下式表示式中,ω——信号源的角频率；

K——耦合系数，K2=M2／(L·LE)。上一页下一页返回频率（MHZ）感抗电阻RE

10.10.0020.02101.00.00630.06310010.00.020.2表3.4.1不同频率时的感抗分量与电阻分量计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间的数量关系可以进行估计。金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈按一定方式结合起来的总效应来等效。上一页下一页返回由于R<<ωLB那么式(3.4.1)可以简化为ZL的虚部与金属板的电阻率无关，而仅与耦合系数K有关，即仅与线圈至金属板之间的距离有关在实际条件下，即K<1，并有R<<ωLB可以认为式(3.4.2)在特定条件下(测量信号频率较高，金属板电阻率较小且变化范围不大)存在着以下的关系上一页下一页返回3.传感器的结构

线圈框架3．框架衬套4．支架5．电缆6．插头上一页下一页返回4.测量电路

定频测距电路调频测距电路上一页下一页返回定频测距电路将L—x的关系转换成U—x。的关系。通过检波电压U的测量，就可以确定距离x的大小。这里U—x，曲线与金属板电阻率的变化无关。上一页下一页返回假设去掉金属板，那么L=L∞(即x趋于∞时的L值)。如果在保持幅值不变的情况下，改变正弦振荡器的频率，那么可以得到U—曲线，即传感器回路的并联谐振曲线谐振频率为上一页下一页返回有金属板时，设振荡器的频率为f0。假设改变金属板与传感器之间的距离x，那么U—x曲线当x足够大时(此时L=L∞，U=U∞)，回路处于并联谐振状态。上一页下一页返回调频测距电路当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时，引起线圈的电感量L发生变化，从而使振荡器的频率改变，然后通过鉴频器将频率变化再变成电压输出。上一页下一页返回调频式测量电路图电容三点式振荡器射极输出器上一页下一页返回传感器输出电缆的分布电容的影响不能无视的。钢板铜板上一页下一页返回3.4.2低频透射式涡流传感器透射式涡流传感器原理线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据:E的大小间接反映了M的厚度t上一页下一页返回中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E—t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，测量厚材时应选较低的频率。上一页下一页返回测试频率与材料关系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E－t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ρ时保持Q不变，这时应该相应地改变f。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，那么选用较高的(2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。上一页下一页返回3.4.3涡流式传感器的应用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上一页下一页返回1．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上一页下一页返回2．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上一页下一页返回3．厚度测量

电涡流式厚度计的测量原理图上一页下一页返回4．转速测量f——频率值(Hz)；n——旋转体的槽(齿)数；N——被测轴的转速(r／min)。上一页下一页返回5.涡流探伤

可以用来检查金属的外表裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数(x,ρ,μ)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到达探伤的目的。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上一页下一页返回a)比较浅的裂缝信号b)经过幅值甄别后的信号在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。上一页返回用涡流探伤时的测量信号电涡流式传感电涡流传感器的应用电涡流传感器电感式传感器电涡流式传感电涡流传感器的应用

低频透射式涡流厚度传感器

电感式传感器电涡流式传感电涡流传感器的应用

高频反射式涡流厚度传感器

电感式传感器电涡流式传感电涡流传感器的应用电涡流金属板、带材厚度测量电感式传