第四章电感式传感器--2

1、4.3 电涡流式传感器（互感式） 4.3.1 工作原理 电涡流式传感器原理图电涡流式传感器原理图（a a） 传感器激励线圈传感器激励线圈; ; （b b） 被测金属导体被测金属导体 1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流 涡流式传感器是利用金属导体在交流涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为只线圈的附近，它们之间相互的间距为 ，当线圈输入一交变电流当线圈输入一交变电流i 时，便产生交变时，便产生交变磁通量磁通量，金属板在此交变磁场中会产生，金属板在此交变磁场中会产生

2、感应电流感应电流i2 2， i2 2在金属体内是闭合的，所在金属体内是闭合的，所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率属板的电阻率、磁导率、磁导率 、厚度、厚度h、金属、金属板与线圈的距离板与线圈的距离、激励电流角频率、激励电流角频率等参等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。的变化测量另一个参数。1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正时，线圈

3、周围空间必然产生正弦交变磁场弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁的作用将反抗原磁场场H1，由于磁场，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。导体的电涡流效应。1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流式中式中, r, r为线圈与被测体

4、的尺寸因子。为线圈与被测体的尺寸因子。 测量方法：测量方法： 如果保持上式中其它参数如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，不变，而只改变其中一个参数， 传感传感器线圈阻抗器线圈阻抗Z Z就仅仅是这个参数的单值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函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗出阻抗Z Z的变化量，即可实现对该参数的变化量，即可实现对该参数的测量。的测量。 Z=F(,r,f,x) 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z Z的函数关系式为的函数关系式为1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流4.3.

5、2 电涡流传感器的等效电路把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为匝短路线圈，其电阻为R1、电感为、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距，它随线圈与导体间距x的减小的减小而增大。而增大。1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流MML L2 2R R2 21U2I1IR R1 1L L1 1根据基尔霍夫定律，可列

6、出下面的方程：根据基尔霍夫定律，可列出下面的方程：121111UIMjILjIR012222IMjILjIRMML L2 2R R2 21U2I1IR R1 1L L1 122.1.2LjRIMjI122.1.111)(ULjRIMjMjILjR2222222122222221.12222222211.12211.11. LLRMLjRLRMRULRLjRMLjRULjRMjMjLjRUI122.1.111)(ULjRIMjMjILjR22222222221222222111LRMLLjLRMRRIUZRL等效阻抗等效阻抗等效电阻等效电阻22222222221222222111LRMLLjLR

7、MRRIUZ等效电感等效电感222222221LRMRRR222222221LRMLLL222212222212011)()(ZMRRZMLLQZReZImQ品质因数品质因数110RLQ无涡流影响时的无涡流影响时的QQ值值222222LRZ短路环阻抗短路环阻抗其中其中等效电阻等效电阻等效电感等效电感222222221LRMRRR222222221LRMLLL222212222212011)()(ZMRRZMLLQZReZImQ品质因数品质因数讨论：讨论：（2 2）影响因素：）影响因素：L L2 2、R R2 2、L L1 1、R R1 1、ww、MM（3 3）Z Z、L L、QQ值都是值都是M

8、M平方的函数平方的函数（1 1）RQ L电涡流形成范围涡流分布不均匀，其密度是线圈与金属导体之间距离涡流分布不均匀，其密度是线圈与金属导体之间距离x x的函数。涡流只能在的函数。涡流只能在金属导体的表面薄层内形成，沿半径方向也只能在有限的范围内形成。金属导体的表面薄层内形成，沿半径方向也只能在有限的范围内形成。（1 1）涡流的径向形成范围）涡流的径向形成范围涡流密度既是线圈与导体间距离的函数，又是沿线圈半径方向涡流密度既是线圈与导体间距离的函数，又是沿线圈半径方向r r的函数。当的函数。当x x一定时，涡流径向形成范围大约在传感器线圈外半径的一定时，涡流径向形成范围大约在传感器线圈外半径的18

9、2.5182.5倍的范围内，倍的范围内，且分布不均匀；当且分布不均匀；当r=0r=0时，涡流密度为零，在线圈外半径附近涡流密度最大。时，涡流密度为零，在线圈外半径附近涡流密度最大。（2 2）涡流的强度与距离的关系）涡流的强度与距离的关系理论分析及实验证明，当线圈与导体间距离理论分析及实验证明，当线圈与导体间距离x x改变时，涡流密度也将发生变改变时，涡流密度也将发生变化，化，为线圈半径的距离为线圈到金属导体表面为金属导体中等效电流为线圈激励电流asasrxIIrxxII21221210.2I2/I1x/ras0.40.60.81.0涡流的强度与距离成非线性关系，且随着涡流的强度与距离成非线性关

10、系，且随着x/xx/xasas的增加而迅速减小；当利用的增加而迅速减小；当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在电涡流式传感器测量位移时，只有在x/xasas1(一般取一般取0.050.15)的条件下才能的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。得到较好的线性和较高的灵敏度。（3 3）涡流的轴向贯穿深度）涡流的轴向贯穿深度由于金属导体的集肤效应，电磁场不能穿过所有厚度的金属导体，仅作用由于金属导体的集肤效应，电磁场不能穿过所有厚度的金属导体，仅作用于导体表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的涡流强度是随着于导体表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的涡流强度是随着导体深度的增加而按照指

11、数规律衰减。导体深度的增加而按照指数规律衰减。，也称为集肤深度为涡流轴向贯穿的深度密度为金属导体表面的涡流处的涡流密度为沿轴向距离表面表面的距离为金属导体中某一点与t00JdJdeJJdtddJddJ0，也称为集肤深度为涡流轴向贯穿的深度密度为金属导体表面的涡流处的涡流密度为沿轴向距离表面表面的距离为金属导体中某一点与t00JdJdeJJdtdd涡流的强度与距离成非线性关系，且随着涡流的强度与距离成非线性关系，且随着x/xx/xasas的增加而迅速减小；当利用的增加而迅速减小；当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在电涡流式传感器测量位移时，只有在x/xasaslMHz(flMHz) )激励电流

12、激励电流, ,高频反射式涡流传感器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。 高频反射式电涡流传感器由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为开一槽，将导线绕在槽内。下图为CZF1CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。 1234561 1 线圈线圈 2 2 框架框架 3 3 衬套衬套4 4 支架支架 5 5 电缆电缆 6 6 插头插头结构特点电涡流传感器是利用传感器线圈与被测导

13、体之间的电磁耦合进行工作的。电涡流传感器是利用传感器线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的。传感器的线圈装置只是实际传感器的一半传感器的线圈装置只是实际传感器的一半另一半：被测导体另一半：被测导体被测导体的材料物理性质、尺寸、形状与传感器的特性密切相关。被测导体的材料物理性质、尺寸、形状与传感器的特性密切相关。被测导体的材料对传感器特性的影响被测导体导电率越高，传感器的灵敏度越高。被测导体导电率越高，传感器的灵敏度越高。被测导体磁导率越高，传感器的灵敏度越低。被测导体磁导率越高，传感器的灵敏度越低。被测导体的尺寸和形状对测量的影响涡流区与线圈几何尺寸关系：涡流区与线圈几何尺寸关系：21.392

14、0.525RDrD2R-2R-电涡流区外径电涡流区外径2r-2r-电涡流区内径电涡流区内径D-D-线圈的外径线圈的外径被测导体的尺寸和形状对测量的影响被测物体的厚度不能太薄，一般大于被测物体的厚度不能太薄，一般大于0.2mm0.2mm铜、铝箔等为铜、铝箔等为0.07mm0.07mm对厚度的要求还与激励频率有关对厚度的要求还与激励频率有关被测导体表面镀层对精度的影响镀层的性质和厚度不均匀，在测量移动时，会出现干扰信号，影响测量镀层的性质和厚度不均匀，在测量移动时，会出现干扰信号，影响测量精度精度随着激励频率的升高，电涡流的贯穿深度减小，这种干扰影响更大。随着激励频率的升高，电涡流的贯穿深度减小，

15、这种干扰影响更大。 发射线圈发射线圈L L1 1和接收线圈和接收线圈L L2 2分置于被测分置于被测金属板的上下方。金属板的上下方。 由于低频磁场集肤效应小，渗透深，由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频当低频( (音频范围音频范围) )电压电压u u1 1加到线圈加到线圈L L1 1的的两端后，所产生磁力线的一部分透过金两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板属板, ,使线圈使线圈L L2 2产生感应电动势产生感应电动势u u2 2。 由于涡流消耗部分磁场能量，使感由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势应电动势u u2 2减少，当金属板越厚时，减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势损

16、耗的能量越大，输出电动势u u2 2越小。越小。 因此，因此，u u2 2的大小与金属板的厚度及的大小与金属板的厚度及材料的性质有关材料的性质有关. .试验表明试验表明u u2 2随材料厚随材料厚度度h h的增加按负指数规律减少的增加按负指数规律减少, ,因此，因此，若金属板材料的性质一定，则利用若金属板材料的性质一定，则利用u u2 2的变化即可测厚度。的变化即可测厚度。 测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz1kHz左右。左右。 测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测薄金属板时，频率一般应略高些