电涡流传感器(第七章)

1、1 第三节第三节 涡流式传感器涡流式传感器 电涡流效应演示电涡流效应演示 2 3 4 电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、 高效的高效的 电磁炉电磁炉 5 6 101010 ZRj L 10 110 121 R Ij L Ij MIU 12222 0j MIR Ij L I 7 2222 122 11010 2222 12222 ()() UM RM L ZRjL IRLRL 8 集肤效应集肤效应 集肤效应与激励源频率集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、工件的电导率 、磁导率、磁导率 等有关。频率等有关。频率f越高，电涡流的越高，电

2、涡流的 渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。 当高频（当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施左右）信号源产生的高频电压施 加到一个靠近金属导体附近的电感线圈加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生时，将产生 高频磁场高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，。如被测导体置于该交变磁场范围之内时， 被测导体就产生电涡流被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并在金属导体的纵深方向并 不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称 为集肤效应（也称趋肤效应）。为集肤效应（也称趋肤效应）

3、。 9 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。改变涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f， 可控制检测深度。激励源频率一般设定在可控制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz1MHz。频率越低，。频率越低，检测深度越深检测深度越深。 间距间距x的测量：的测量：如果控制上式中的其他参数不变，如果控制上式中的其他参数不变， 电涡流线圈的阻抗电涡流线圈的阻抗Z就成为间距就成为间距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

4、。 多种用途：多种用途：如果控制如果控制其他参数其他参数不变，就可以用来检不变，就可以用来检 测与表面电导率测与表面电导率 有关的有关的表面温度、表面裂纹等参数表面温度、表面裂纹等参数， 或者用来检测与材料磁导率或者用来检测与材料磁导率 有关的有关的材料型号、表面硬材料型号、表面硬 度度等参数。等参数。 10 电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈 11 电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高高 频电流通过频电流通过 励磁线圈，励磁线圈， 产生交变磁产生交变磁 场，在铁质场，在铁质 锅底会产生锅底会产生 无数的电涡无数的电涡 流，使锅底流，使锅底 自行发热，自行发热， 烧开锅烧开锅 内内 的的

5、 食食 物。物。 12 13 金属金属 扁平线圈扁平线圈 涡流区涡流区 r/ros 1 h ros j 14 / 0 z h z jj e Jz Jo/e h z 15 21 22 1 o s x II xr I2I2只有在只有在x/rx/r1rosXros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros2ros要大要大 X/ros I2/I1 1.0 1 2 3 4 四、四、 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 17 电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形 18 19 五、五、 测量转换电路测量转换电路

6、1、调幅式（、调幅式（AM）电路）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz） 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 起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最 终输出的直流电压终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如 两者之间的距离等参数）。两者之间的距离等参数）。 20 2、调频（、调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz） 当电涡流线圈

7、与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流改变时，电涡流 线圈的电感线圈的电感量量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的输出振荡器的输出 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 拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f转转 换为电压换为电压 Uo 。 21 鉴频器特性鉴频器特性 使用使用 鉴频器可鉴频器可 以将以将 f 转转 换为电压换为电压 Uo 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 22 六、六、 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用

8、 1、位移测量、位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子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（感应工器件。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。作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感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，使量，使振荡器的输出幅度线性地衰减振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的，根据衰减量的 变化，可以计算出与被检物体的距离、振动等参数。变化，可以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非

9、接触测量，工作时不受灰尘等这种位移传感器属于非接触测量，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。 23 位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含： 偏心、间隙、位偏心、间隙、位 置、倾斜、弯曲、变置、倾斜、弯曲、变 形、移动、圆度、宽形、移动、圆度、宽 度等等。来自不同应度等等。来自不同应 用领域的许多量都可用领域的许多量都可 归结为位移或间隙变归结为位移或间隙变 化。化。 数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头 24 大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 25 偏心检测偏心检测 26 测量弯曲、波动

10、、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动对桥梁、丝杆等机械结构的振动 测量，须使用多个传感器。测量，须使用多个传感器。 27 电涡流位移传感器的应用电涡流位移传感器的应用 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，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、表面属材料的厚度、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流传因素、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。因此电涡流传感器的应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因素，

11、一用领域十分广泛。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结果。所以个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以 电涡流传感器多用于定性测量。电涡流传感器多用于定性测量。 即使要用作即使要用作 定定 量量 测测 量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补 补偿等措施。补偿等措施。 28 2、振动测量、振动测量 用电涡用电涡 流探头、流探头、 调幅法测调幅法测 量简谐振量简谐振 动时，探动时，探 头的输出头的输出 波形波形。 29 调频法测量振动的波形调频法测量振动的波形 30 2 2、振动测量、振动测量 汽轮机叶片

12、测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的测量悬臂梁的 振幅及频率振幅及频率 31 32 3、转速测量、转速测量 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，频率计的读数 为为f（单位为（单位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为 r/min）的计算公式为）的计算公式为 60 f n z 33 电动机电动机转速测量转速测量 34 35 4、厚度测量、厚度测量 36 电涡流金属板、带材厚电涡流金属板、带材厚 度测量度测量 37 镀层厚度测量镀层厚度测量 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

13、流测厚仪对标准厚度的镀层小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层 和铜箔作出和铜箔作出“厚度厚度- -输出输出”电压的标定曲线，以便测电压的标定曲线，以便测 量时对照。量时对照。 38 测量金属薄膜、板材厚度电测量金属薄膜、板材厚度电 涡流测厚仪涡流测厚仪 39 5、电涡流式通道安全检查门、电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线安检门的内部设置有发射线 圈和接收线圈。当有金属物体通圈和接收线圈。当有金属物体通 过时，交变磁场就会在该金属导过时，交变磁场就会在该金属导 体表面产生电涡流，会在接收线体表面产生电涡流，会在接收线 圈中感应出电压，计算机根据感圈中感应出电压，计算机根据

14、感 应电压的大小、相位来判定金属应电压的大小、相位来判定金属 物体的大小。物体的大小。在安检门的侧面还在安检门的侧面还 安装一台安装一台“软软x x光光”扫描仪，它对扫描仪，它对 人体、胶卷无害，用软件处理的人体、胶卷无害，用软件处理的 方法，可合成完整的光学图像。方法，可合成完整的光学图像。 40 安检门演示安检门演示 41 电涡流探伤 金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量 探伤探伤 由于集肤效应导体表面电涡流密度最大，由于集肤效应导体表面电涡流密度最大， 表面信息量最大，可用电涡流传感器测量金表面信息量最大，可用电涡流传感器测量金 属表面缺陷，存在缺陷时引起金属属表面缺陷，存在缺陷时引起金属、的变的变 化。化。 探伤时传感器与被测金属保持距离探伤时传感器与被测金属保持距离 不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化， 涡流损耗的改变引起输出电压的变化。涡流损耗的改变引起输出电压的变