获奖课件传感器与检测技术-电涡流式传感器

3.5电涡流式传感器

涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。

3.5.1工作原理电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。如下图a所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图b的等效电路。

a)电涡流传感器原理图b)电涡流传感器等效电路图

根据等效电路可列出电路方程组：

通过解方程组，可得I1、I2。

所以，线圈等效阻抗：线圈等效电感：在等效电感中，第一项L1

与磁效应有关。若金属导体为非磁性材料，L1就是空心线圈的电感。当金属导体是磁性材料时，L1

将增大，而且随着距离H的变化而变化。第二项与涡流效应有关，涡流引起的反磁场H2将使电感减小，距离H越小，电感减小的程度就越大。等效电阻R总是比原有的电阻R1

来得大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都将使阻抗的实数部分增加。显然，金属导体材料的导电性能和线圈离导体的距离将直接影响这实数部分的大小。也可以得到线圈的品质因数Q为Q1：无涡流影响时线圈的Q值由上三式可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数.因此当构成电涡流式位移传感器时，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。这样，金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体的距离x以及线圈激励电流的角频率w等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗Z是这些参数的函数，可写成同时，由上可知，被测参数变化，既能引起线圈阻抗Z变化，也能引起线圈电感L和线圈Q值变化。所以涡流传感器所用的转换电路可以选用Z,L,Q中的任一参数，并将其转换成电量，即可达到测量的目的。引申1.涡流的损耗功率电涡流式传感器的物理基础是涡流效应。金属导体具有电阻，有涡流流通时便会消耗一部分电磁能量。涡流引起的能量损耗，称为涡流损耗，其大小用涡流损耗功率表示。回路单元的涡流损耗功率为：将：代入上式得:所以，涡流回路感应电动势的有效值为：将及代入：得到：引申2.线圈轴上磁感应强度在影响涡流损耗的诸因素中，大多数因素是固定的或基本不变的，所以对涡流式传感器的工作起着重大影响的因素是金属导体内的磁场分布。尤其是对涡流式位移传感器，磁场分布对灵敏度和线性范围起着决定性的作用。对传感器来说，总是希望其灵敏度高，线性范围大。欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大，欲使灵敏度高，就要求被测体在轴向移动时涡流损耗功率的变化大，亦即轴向磁场强度变化梯度大。圆环形单匝载流导线在轴上产生的磁感应强度（如左图），根据毕奥-沙伐-拉普拉斯定律可得载流扁平线圈产生的磁场是由若干导线圆环的磁场叠加而成。如左图所示，通过截面dxdy的电流为该电流在轴上距线圈端面处x（即坐标原点）所产生的磁感应强度为：由于：所以，有：根据毕奥-沙伐-拉普拉斯定律由：整个线圈在此处产生的磁感应强度为：表明：轴上磁感应强度Bx

是x的函数，线圈的尺寸参数r2、r1、b将对特性产生一定的影响，其间的关系比较复杂。固定其中两个改变其中一个参数,可画出其特性曲线特性曲线表明，线圈外径对轴上磁场分布范围和磁感应强度变化梯度的影响较大，其它二个参数的影响较小。这就是说，线圈外径越大，线性范围将越大，但灵敏度越低；反之，外径越小，灵敏度越高，但线性范围越小。引申3.涡流分布

涡流只存在于金属导体的表面薄层内，在径向也只有一个有限的范围内存在涡流，所以实际上存在一个涡流区。但是在推算涡流损耗功率时，曾把涡流当作均匀分布来处理。这是不符合实际的。实际上，涡流分布是不均匀的、涡流区内各处的涡流密度是不同的。由于趋肤效应，涡流只在表面薄层内存在，而且涡流密度的轴向分布是按指数规律衰减的，趋肤效应频率低频率高直流的情况电流在导线截面上均匀分布流动.对于交流的情况，电流有集中在外部周围流动，而在中心部位不怎么流动的倾向，这种现象叫趋肤效应。前面讨论的涡流传感器，金属导体内产生的涡流所建立起来的反磁场以及涡流要消耗一部分能量，这些作用都将“反射”回去，改变原激励线圈的阻抗。因此，式中的等效阻抗Z又称为反射阻抗，等效电感L又称为反射电感。为了使反射效果更好，激励频率要高，贯穿深度较小，实际中这一类涡流传感器使用较多。此外，若将激励频率减低，涡流的贯穿深度将加厚，可做成低频透射传感器。在L1、L2间放置金属材料M后，产生的磁力线必然透过M，并在其中产生涡流。涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁力线减少，从而引起e下降。M的厚度h越大，涡流越大，涡流引起的损耗也越大，e就越小。由此可知，e的大小反映了材料厚度h的变化。如果中间无材料M，则L2产生一交变电压e，e是一确定值。涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。它的变换量可以是位移x，也可以是被测材料的性质（电阻率或磁导率）应用大致有下列四个方面：①利用位移x作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；②利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等感器；③利用导磁率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；④利用变换量上述变量等的综合影响，可以做成探伤装置等。测量导体温度的原理如上图所示。这时要设法保持传感器与导体间的距离H固定，导体的磁导率也要一定，只让传感器的输出随被测导体的电阻率变化而变化。由于磁性材料（如冷延钢板）的温度系数大，从而决定了它的温度灵敏度高，而非磁性材料（如铝、铜）的温度系数小，温度灵敏度低，因而这种方法主要适用于磁性材料的温度测量。涡流测温的最大优点是能够快速测量。其它温度计往往有热惯性问题，时间常数为几秒甚至更长，而用厚度0.0015为的铅板作为热敏元件所组成的涡流式温度计，其热惯性为0.001s。

3.5.2转换电路（一）电桥电路法

图中A、B为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。（二）谐振电路法调幅法

调频法下图a是调幅法测量电路的原理图下图b调频法测量电路的原理图。

b)调频电路

a)调幅电路（三）正反馈法正反馈法的测量原理如右图所示，其特点是放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起输出电压的变化。因此，可以由输出电压的变化来检测传感器与被测体之间距离的变化。3.5.3低频透射式电涡流传感器

这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材