《传感器与检测技术》课件-3.1电涡流传感器

《传感器与检测技术》电涡流传感器电涡流传感器Co

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01电涡流传感器的工作原理02电涡流传感器的结构03电涡流传感器的测量电路04电涡流传感器的应用01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY电涡流传感器的工作原理一、电涡流传感器的工作原理块状金属导体置于变化磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内将会产生旋涡状的感应电流，该现象称为电涡流效应。将一个通以正弦交变电流I1的扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1，使金属导体中感应电涡流I2，I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。图1电涡流式传感器原理图1—金属导体；2—线圈一、电涡流传感器的工作原理它与被测体的电阻率

、磁导率

以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f、与线圈与导体间的距离x有关。函数关系式为：Z=F(

,

,r,f,x)

如果保持上式中其他参数不变，而只使其中一个参数发生变化，则传感器线圈的阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数，即可实现对该参数的测量。02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY电涡流传感器的结构二、电涡流传感器的结构电涡流式传感器的结构主要是一个绕制在框架上的扁平绕组，绕组的导线应选用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包铜线，图2所示为CZF1型电涡流式传感器的结构图，电涡流是采用把导线绕制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。图2电涡流探头结构1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；4-印制电路板；5—夹持螺母；6—电源指示灯；7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头二、电涡流传感器的结构

这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的，并利用这种耦合程度的变化作为测量值，它的尺寸和形状都与测量装置的特性有关。所以作为传感器的线圈装置仅为实际传感器的一半，而另一半是被测体，所以，在电涡流式传感器的设计和使用中，必须同时考虑被测物体的物理性质和几何形状及尺寸。03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY电涡流传感器的测量电路三、电涡流传感器的测量电路用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。

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−U变换，用数字电压表测量对应的电压。1.调频式电路三、电涡流传感器的测量电路

振荡频率为：

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。三、电涡流传感器的测量电路（a）（b）图3调频式测量电路（a）测量电路框图；（b）振荡电路三、电涡流传感器的测量电路由传感器线圈L、电容器C

和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。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i0，LC回路输出电压为

U0=i0f

(Z

)

式中：Z——LC回路的阻抗。

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f0，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，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。2．调幅式电路三、电涡流传感器的测量电路图4调幅式测量电路示意图04SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY电涡流传感器的应用四、电涡流传感器的应用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

1，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。1．低频透射式电涡流厚度传感器图5透射式涡流厚度传感器原理图四、电涡流传感器的应用

如果将被测金属板放入两线圈之间，则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

1

，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，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。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1

m，线性度为1%。四、电涡流传感器的应用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。

2．电涡流式转速传感器

图6电涡流式转速传感器原理图当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+Δd。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随Δd的变化而变化，导致振荡器的电压幅值和振荡频率发生变化。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速成正比的脉冲频率信号。四、电涡流传感器的应用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频率为fn的脉冲信号。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

000r/min。四、电涡流传感器的应用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。3．高频反射式电涡流厚度传感器图7高频反射式涡流测厚仪测试系统框图S1和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。四、电涡流传感器的应用

如果被测带材厚度改变量为Δ

，则两传感器与带材之间的距离也改变一个Δ

，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU，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。带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。四、电涡流传感器的应用电涡流位移计是根据高频反射式涡流传感器的基本原理制作的。电涡流位移计可以用来测量各种形状试件的位移量。4．高频反射式电涡流位移传感器（a）（b）（c）图8电涡流位移计测量位移举例（a）汽轮机主轴的轴向位移；（b）磨床换向阀、先导阀的位移；（c）金属试件的热膨胀系数

电涡流位移计测量位移的范围可以从0～1mm至0～30mm，个别产品已达80mm。一般的分辨率为满量程的0.1%，也有达到0.5

m的（其全量程为0～5

m）。四、电涡流传感器的应用