电感式电涡流

关于电感式电涡流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2页,共81页，2024年2月25日，星期天

4.3.1工作原理第3页,共81页，2024年2月25日，星期天

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4页,共81页，2024年2月25日，星期天

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，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5页,共81页，2024年2月25日，星期天

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ρ、μ以及几何形状有关，第6页,共81页，2024年2月25日，星期天

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7页,共81页，2024年2月25日，星期天

Z=F(ρ,μ,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Z就仅仅是这个参数的单值函数。第8页,共81页，2024年2月25日，星期天

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9页,共81页，2024年2月25日，星期天

电涡流式传感器简化模型

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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。

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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。

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电涡流式传感器简化模型

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电涡流的等效电路图。

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R2为电涡流短路环等效电阻

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电涡流式传感器简化模型

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根据基尔霍夫第二定律第18页,共81页，2024年2月25日，星期天ω——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19页,共81页，2024年2月25日，星期天等效阻抗Z为

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Req—线圈受电涡流影响后的等效电阻

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线圈的等效品质因数Q值为

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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23页,共81页，2024年2月25日，星期天

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24页,共81页，2024年2月25日，星期天

电涡流密度J与半径r的关系曲线

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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26页,共81页，2024年2月25日，星期天①电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。第27页,共81页，2024年2月25日，星期天

电涡流密度J与半径r的关系曲线

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②电涡流密度在ri=0处为零。③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。④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29页,共81页，2024年2月25日，星期天

电涡流密度J与半径r的关系曲线

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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31页,共81页，2024年2月25日，星期天

金属导体表面的电涡流强度第32页,共81页，2024年2月25日，星期天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33页,共81页，2024年2月25日，星期天电涡流强度与距离归一化曲线第34页,共81页，2024年2月25日，星期天

金属导体表面的电涡流强度第35页,共81页，2024年2月25日，星期天

①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。②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。

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金属导体表面的电涡流强度第37页,共81页，2024年2月25日，星期天电涡流强度与距离归一化曲线第38页,共81页，2024年2月25日，星期天

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定的径向范围内。第39页,共81页，2024年2月25日，星期天

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40页,共81页，2024年2月25日，星期天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）。

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电涡流密度轴向分布曲线

第42页,共81页，2024年2月25日，星期天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。

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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44页,共81页，2024年2月25日，星期天

1.调频式电路第45页,共81页，2024年2月25日，星期天

调频式测量电路(a)测量电路框图；(b)振荡电路

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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=L(x)。该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f—V变换，用数字电压表测量对应的电压。第49页,共81页，2024年2月25日，星期天

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Ｖ1)以及射极输出电路两部分组成。第50页,共81页，2024年2月25日，星期天

第51页,共81页，2024年2月25日，星期天

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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53页,共81页，2024年2月25日，星期天

2.调幅式电路第54页,共81页，2024年2月25日，星期天调幅式测量电路示意图

第55页,共81页，2024年2月25日，星期天

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56页,共81页，2024年2月25日，星期天LC回路输出电压

Z为LC回路的阻抗。

第57页,共81页，2024年2月25日，星期天调幅式测量电路示意图

第58页,共81页，2024年2月25日，星期天

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59页,共81页，2024年2月25日，星期天

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60页,共81页，2024年2月25日，星期天

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61页,共81页，2024年2月25日，星期天1.低频透射式涡流厚度传感器第62页,共81页，2024年2月25日，星期天

透射式涡流厚度传感器结构原理图

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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φ1，第64页,共81页，2024年2月25日，星期天

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65页,共81页，2024年2月25日，星期天

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φ1′，从而使L2产生的感应电压U2下降。第66页,共81页，2024年2月25日，星期天

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67页,共81页，2024年2月25日，星期天

透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1%。第68页,共81页，2024年2月25日，星期天2.高频反射式涡流厚度传感器

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高频反射式涡流测厚仪测试系统图

第70页,共81页，2024年2月25日，星期天

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71页,共81页，2024年2月25日，星期天

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Δδ，则两传感器与带材之间的距离也改变一个Δδ，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU。第72页,共81页，2024年2月25日，星期天

ΔU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73页,共81页，2024年2月25日，星期天