《传感器技术与应用》课件-5.3电涡流式传感器

传感器技术与应用5.3电涡流式传感器电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量工具，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

测振动

测轴心轨迹

测厚

测转速电涡流传感器电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于位移、振动、转速、厚度等机械量测量，另外可测材料、测温度和电涡流探伤。由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。形成电涡流必须具备的两个条件：①存在交变磁场②金属导体处于交变磁场中H2I2金属导体UAC5.3.1电涡流效应把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1；涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。5.3.2等效电路分析当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，按照楞次定律，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化，产生反抗H1的交变磁场H2。

凡是引起次级线圈回路变化的物理量R2

、L2

、M均可以引起传感器原线圈等效电阻R1

、电感L1

的变化。

讨论：显然，被测体的电阻率ρ、导磁率μ、线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω，都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系。ML2R2R1

L1

5.3.2等效电路分析结论：涡流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系。金属材料的μ、ρ、d、x的变化都可以使初级线圈中的R1、L1发生变化。

若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗Z1成为这个参数的单值函数。利用金属中的磁导率μ、电阻率ρ

测材料，探伤；利用线圈与金属导体的距离x测位移、测厚。5.3.2等效电路分析因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，涡流区内各处的涡流密度不同,存在径向分布和轴向分布。金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj径向分布

涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系，

涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内1.涡流的分布轴向分布

由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场方向（轴向）也是分布不均匀的。距

离金属表面Z处,涡流按指数规律衰减。5.3.3涡流的分布和强度2.强度x/rosI2/I11.01234要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。5.3.3涡流的分布和强度

当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。根据线圈——导体系统，金属表面电涡流强度I2与距离x是非线性关系，随x/ros上升而下降。1.调幅式L为电涡流线圈2.调频式电涡流线圈5.3.4测量电路

3.变频调幅式电感式接近开关电路原理-----涡流变换器5.3.4测量电路传感器远离被测体时，回路谐振于f0，此时品质因数Q最高，输出最大；当有磁性导体靠近时，振荡回路失谐L↑

f0↓使Q

↓

,输出电压下降峰值左移；当有非磁性导体靠近时L↓f0

↑，由于R↑

Q↓，电压也下降峰值右移；检测中我们不关心频率的变化，只关心幅值的大小，用检波器获得电压。

变频调幅式电路输出特性5.3.4测量电路

检测原理：电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

电涡流传感器的应用主要是通过位移变化测量其他各种物理量（1）测厚：低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器（2）测转速；（3）测位移、测振动；（4）电涡流探伤；（5）金属零件计数、尺寸检测、光洁度检测。5.3.