常用传感器电涡流

1、2 2、4 4 电涡流传感器电涡流传感器目录目录41.1传感器概述12351.2压电传感器1.3光电传感器1.4电涡流传感器1.5微波传感器671.6超声波传感器1.7图像传感器电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应原理根据法拉第电磁感应原理, , 块状金属导体置于变化的块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, , 导体内将产导体内将产生呈涡旋状的感应电流生呈涡旋状的感应电流, , 此电流叫电涡流此电流叫电涡流, , 以上现象称以上现象称为为电涡流效应电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流

2、式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况按照电涡流在导体内的贯穿情况, , 此传感器可分为此传感器可分为高高频反射式频反射式和和低频透射式低频透射式两类两类, , 但从基本工作原理上来但从基本工作原理上来说仍是相似的。说仍是相似的。 电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测应力、材料损伤等进行非接触式连续测量量, , 另外还具有体积小另外还具有体积小, , 灵敏度高灵敏度高, , 频率响应宽等特点频率响应宽等特点, , 应用极其广泛。应用极其广泛。 一、一、 工作原理工作原理 图图 4

3、 - 18 为电涡流式传感器的原理图为电涡流式传感器的原理图, 该图由传感器线圈该图由传感器线圈和被测导体组成线圈和被测导体组成线圈导体系统。导体系统。 根据法拉第定律根据法拉第定律, 当传感器线圈通以正弦交变电流当传感器线圈通以正弦交变电流 时时, 线线圈周围空间必然产生正弦交变磁场圈周围空间必然产生正弦交变磁场 , 使置于此磁场中的金属使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流导体中感应电涡流 , 又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场 。 根据愣根据愣次定律次定律, 的作用将反抗原磁场的作用将反抗原磁场 , 导致传感器线圈的等效导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知阻抗发生变化。由上可知,

4、线圈阻抗的变化完全取决于被测金线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。属导体的电涡流效应。 而电涡流效应既与被测体的电阻率而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率磁导率以及几何形状有关以及几何形状有关, 又与线圈几何参数、线圈中激磁电又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关流频率有关, 还与线圈与导体间的距离还与线圈与导体间的距离x有关。因此有关。因此, 传感器线传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为的函数关系式为 1I1H2I2I2H2H1H Z=F（, , r, f, x） (4 - 33)式中: r线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它

5、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。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。 210)(fuhr式中: f线圈激磁电流的频率。 根据简化模型, 可画出如图 4 - 20 所示等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻, 其表达式为 inrrhRln22根据基尔霍夫第二定律, 可列出如下方程： R1 +jL1 -jL2 =1I1I2I1U 二、二、 基本特性基本特性 电涡流传感器简化模型如图 4 - 19 所示。 模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环, 即假设电涡流仅分布在环体之内, 模型中h由以下公式求

6、得 式中: 线圈激磁电流角频率; R1、L1线圈电阻和电感; L2短路环等效电感; R2短路环等效电阻。 由式(4 - 36）和式(4 - 37）解得等效阻抗Z的表达式为)()(222222212222221112LwLRMwLjwRwLRMwRIUZeqeqjwLRReq线圈受电涡流影响后的等效电阻; Leq线圈受电涡流影响后的等效电感。线圈的等效品质因数Q值为 Q= (4 - 39) 综上所述, 根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路, 运用电路分析的基本方法得到的式(4 - 38）和式(4 - 39), 即为电涡流基本特性。 eqeqRwL 三、三、 电涡流形成范围电涡流形成范围 1.

7、电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围 线圈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。当x一定时, 电涡流密度J与半径r的关系曲线见图 4 - 21 所示。 由图可知(图中J#-0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。)： 电涡流径向形成的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。 电涡流密度在短路环半径r=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ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）

8、。 2. 电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明, 当x改变时, 电涡流密度发生变化, 即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用, 可以得到金属导体表面的电涡流强度为 (4 - 40)式中: I1线圈激励电流; I2金属导体中等效电流; )(1212212asrxxII x线圈到金属导体表面距离; ras线圈外径。 根据上式作出的归化曲线如图 4 - 22 所示。 以上分析表明: 电涡强度与距离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)的范围才能得到较好

9、的线性和较高的灵敏度。 3. 电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应, 电涡流沿金属导体纵向的H1分布是不均匀的, 其分布按指数规律衰减, 可用下式表示： Jd =J0 e-d/h (4 - 41)式中: d金属导体中某一点至表面的距离; 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电涡流轴向贯穿深度（趋肤深度）。 图 4 - 23 所示为电涡流密度轴向分布曲线。 由图可见, 电涡流密度主要分布在表面附近。 四、四、 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 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 图 4 - 24 所

10、示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。 在被测金属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, 则L1上产生交变磁通1, 若两线圈间无金属板, 则交变磁场直接耦合至L2中, L2产生感应电压U2。 如果将被测金属板放入两线圈之间, 则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。 此时磁场能量受到损耗, 到达L2的磁通将减弱为, 从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚, 涡流损失就越大, U2电压就越小。因此, 可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度, 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm, 分辨率为0.1m, 线性度为 1

11、%。 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 图 4 - 25 所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。 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、S2 。 S1、 S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。 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=常数的关系存在。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了一个, 两传感器输出电压此时为2Uo+U。U经放大器放大后, 通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带

12、材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。 3. 电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 图 4 - 26 所示为电涡流式转速传感器工作原理图。 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, 输出轴的距离发生d0+d的变化。由于电涡流效应, 这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化, 使传感器线圈电感随d的变化也发生变化, 它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此, 随着输入轴的旋转, 从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。 该信号由检波器检出电压幅值的变化量, 然后经整形电路输出脉冲

13、频率信号f n 。该信号经电路处理便可得到被测转速。 这种转速传感器可实现非接触式测量, 抗污染能力很强, 可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达 600 000 r/min(转/分)。 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与与导体电阻率导体电阻率、磁导率磁导率以及产生交变磁场的线圈与以及产生交变磁场的线圈与被测体之间被测体之间距离距离x，线圈激励电流的，线圈激励电流的频率频率f有关。显然磁有关。显然磁场变化频率愈高，涡

14、流的集肤效应愈显著。即涡流穿透场变化频率愈高，涡流的集肤效应愈显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度深度愈小，其穿透深度h可表示可表示 导体电阻率导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；导体相对磁导率； f交变磁场频率交变磁场频率(Hz)。可见，涡流穿透深度可见，涡流穿透深度h和激励电流频率和激励电流频率f有关，所以涡流有关，所以涡流传感器根据激励频率：传感器根据激励频率：高频反射式高频反射式或或低频透射低频透射式两类。式两类。 目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。 fhr5030（一） 结构和工作原理主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈主要由一个安

15、置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。方式。 1234561 线圈线圈 2 框架框架 3 衬套衬套4 支架支架 5 电缆电缆 6 插头插头iedM电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场i，当被测，当被测导体靠近线圈

16、时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场，而此电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z降低，降低，因此当被测体与传感器间的距离因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的改变时，传感器的Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z、电感电感L均发生变化，于是

17、把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。的基本原理。 （二）等效电路（二）等效电路 把金属导体形象的看做一个短路线圈，它与传把金属导体形象的看做一个短路线圈，它与传感器线圈有磁耦合。于是，可以得到下图所示感器线圈有磁耦合。于是，可以得到下图所示的等效电路。的等效电路。 根据克希荷夫定律所设电流的正方向，写出方程为根据克希荷夫定律所设电流的正方向，写出方程为22222121222212222222212222222112222121111L)(-Lj)(0LRIMRjILMLjRMIjILRMRLRMREIILjIRMIjEMIjI

18、LjIR解方程组得到可以得到传感器线圈的等效阻抗、等效电感、线圈的品质因数可以得到传感器线圈的等效阻抗、等效电感、线圈的品质因数电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 减小，等减小，等效电阻效电阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，流过电涡流多，流过电涡流线圈的电流线圈的电流 i1 增增大。大。 电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理 高频高频电流通过励磁电流通过励

19、磁线圈，产生交线圈，产生交变磁场，在铁变磁场，在铁质锅底会产生质锅底会产生无数的电涡流，无数的电涡流，使锅底自行发使锅底自行发热，烧开锅热，烧开锅 内内 的的 食食 物。物。(三)测量转换电路 1 1、调幅式（、调幅式（AMAM）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(100(100kHz1MHzkHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料）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

20、的直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流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）。线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？ 2、调频（FM）式电路(100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 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 L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC LC 振荡器的输出频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

21、用模拟率变化，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，将仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f f转换转换为电压为电压 U Uo o 。 鉴频器特性 使用使用鉴频器可鉴频器可以将以将 f f 转转换为电压换为电压 U Uo o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 （四）电涡流传感器的应用 由于涡流式传感器测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰由于涡流式传感器测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强以及可以非接触测量等优点，广泛应用于工业生产和科学研能力强以及可以非接触测量等优点，广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。究

22、的各个领域。 传感器在使用中，应该注意被测材料对测量的影响。被测体导传感器在使用中，应该注意被测材料对测量的影响。被测体导电率越高，灵敏度越高，在相同量程下，其线性范围宽。其次被测电率越高，灵敏度越高，在相同量程下，其线性范围宽。其次被测体形状对测量也有影响。被测物体的面积比传感器检测线圈面积大体形状对测量也有影响。被测物体的面积比传感器检测线圈面积大得多时，传感器灵敏度基本不发生变化；当被测物体面积为传感器得多时，传感器灵敏度基本不发生变化；当被测物体面积为传感器线圈面积一半时，其灵敏度减少一半；更小时，灵敏度则显著下降。线圈面积一半时，其灵敏度减少一半；更小时，灵敏度则显著下降。如被测体为圆柱体时，当它的直径如被测体为圆柱体时，当它的直径D D是传感器线圈直径的是传感器线圈直径的3.53.5倍以上倍以上时，不影响测量结果。在时，不影响测量结果。在D/d=1D/d=1时，灵敏度降低至时，灵敏度降低至70%70%偏心和振动检测通过测量间隙来测量