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1、3.4 电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在固定磁场 中运动时，导体内引起感应电流，此电 流在导体内闭合,称为涡流。3.5.1 工作原理线圈置于金属导体附近：线圈中通以交变电流 i1i1产生正弦交变磁场 H1金属导体内就会产生涡流i2涡流i2产生反向电磁场H2反作用于线圈 ,导致线圈的 电感 、阻抗和品质因数变化电涡流效应演示 当电涡流线 圈与金属板的距 离x 减小时，电 涡流线圈的等效 电感L 及感抗XL 减小，但等效电 阻R 增大。由于感抗XL 的变化比 R 的变 化 大 得 多，因 此，流过线圈的 电流 i1 增大。 线圈的电感 、阻抗和品质因数的变化程度取决于 线圈L的外形尺寸、线圈
2、至金属板的距离、金属板材 料的电阻率和磁导率 以及激励电源的频率等参数 。若控制上述参数中的一个发生变化，其余不变， 就能构成测量该参数的传感器。电涡流效应的等效电路如图, 导体中的电涡流等效为短路环中 的电流I2。根据基尔霍夫定律得 电压平衡方程：由此可得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗：线圈受金属导体涡流影响后的等效电感：线圈受金属导体涡流影响后的品质因数：(3-69)(3-70)(3-71)三式均为M的非线性函数3.5.2 结构类型l高频反射式采用高频激励，影响性能的因素有：线圈的结构尺 寸、材料；框架的材料；所用电缆和插头；被测导体的 电导率、磁导率、大小、形状、厚度等。（书P88）
3、1. 线圈 2. 框架 3框架衬套 4 支架 5电缆 6插头线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；线圈 内径和厚度的变化影响较小； 被测体的电导率高，灵敏度也高。磁导率相反， 且磁性体比非磁性体的灵敏度低。被测体表面镀层性质和厚度不均匀将影响测量精 度。被测体的大小和形状的影响：平面被测体的直径 不应小于线圈直径的1.8倍；圆柱被测体直径不应小于 线圈直径的3.5倍。被测体厚度一般要大于0.2mm才不影响测量结果 。2. 低频透射式(常用来测厚)线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据: u2的大小间接反映了材料M的厚度h（t为电涡流的贯穿深度）u2=f (h)(t为电涡流的贯穿深度)t大，则u2
4、大要选择变化率较大的曲线部分： 测薄板时，h小，选t3 ，即激励频率要高； 测厚板时，h大，选t1 ，即激励频率要低。U2与电涡流的贯穿深度t有关,其中为被测材料的电阻率f 为激励频率。结论：l当被测材料的电阻率不同时，渗透深度的值也不相同 ，于是又引起u2h曲线形状的变化，为使测量不同 的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保 持t不变，这时应该相应地改变f。测较小的材料(如 紫铜)时，选用较低的频率 (500Hz);而测较大的材料( 如黄铜、铝)时，则选用较高的频率 (2KHz)，从而保 证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度的一致 性。测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低
5、的频率。3.5.3 测量电路根据电涡流式传感器 的工作原理，针对被测参量可以转换为电感、阻抗或Q值三种参数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥电路和Q值测试电路。本节只讲解谐振电路。谐振电路的原理是将传感器线圈和电容组成并联谐振回路，则谐振时的频率和阻抗为：当传感器电感L变 化时，f 和Z0均随之改 变。1.定频调幅电路晶体振荡器提供频率高度稳定的高频激励信号；R为耦合电阻；输出高频载波信号较小，高频放大、检波、滤波 环节使输出信号便于传输与测量；源极输出器用于减小振荡器的负载；线路复杂，装调困难，线性范围窄。2. 变频调幅电路将传感器 接入电容三点 式振荡回路，当导体接近传 感器线圈时，
6、由于涡流效应 ，振荡器输出电压的幅度和 频率均变化，利用振荡幅度 的变化来检测线圈与导体间 的位移变化。结构简单，灵敏度高， 线性范围宽。346 变频调幅谐振曲线3. 调频电路与变频调幅电路不同 的是常以振荡频率的变化 作为输出信号。若以电压作为输出信号，则后接鉴 频器。关键：提高振荡器的频率稳定度，从环境温度 变化、电缆电容变化和负载影响三方面考虑。间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、 、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的 单值函数，这样就成为非接触测量位移的传感 器。多种用途：如果控制其他参数不变，就可以 用来检测与表面电导率有关的表面温度、表 面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁
7、导率有 关的材料型号、表面硬度等参数。 35.4 35.4 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用Z=g(i1、f、r、x）被 测 参 数变 换 量特 征位移、厚度、振动（1） 非接触测量，连续测 量（2） 受剩磁的影响。表面温度、电解质 浓度、材质判别、 速度（温度）（1） 非接触测量，连续测 量；（2） 对温度变化进行补偿应力、硬度（1） 非接触测量，连续测 量；（2） 受剩磁和材质影响探伤 可以定量测量1位移测量(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图 (b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图 (c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图 上一页下一页返 回2 振幅测量(a)汽轮机和空气压缩
8、机常用的监控主轴的径向振动的示意图 (b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图 (c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近上一页下一页返 回3厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图 上一页下一页返 回4转速测量f频率值(Hz)；n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。 上一页下一页返 回5. 涡流探伤 l可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹 以及用于焊接部位的探伤等。 l综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的 变化，通过测量传感器参数的变化即可达到 探伤的目的。 l在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速 度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号 上一页下一页返 回a)比较浅的
9、裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号 在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的 信号通过，而将干扰频率信号衰减。 上一页返 回用涡流探伤时的测量信号位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、 位置、倾斜、弯曲 、变形、移动、圆 度、冲击、偏心率 、冲程、宽度等等 。来自不同应用领 域的许多量都可归 结为位移或间隙变 化。数显位移测量仪及探头420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）V系列电涡流位移传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料） 偏心和
10、振动检测测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的 振动测量，须使用多个传感器 。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚 度测量封口机工作间隙间隙越大， 电涡流越小测量注塑机开合模的间隙 间距电涡流位移传感器的距离 与输出电压特性曲线1量程为10mm 2量程为16mm 3量程为20mm振动测量用电 涡流探 头、调 幅法测 量简谐 振动时 ，探头 的输出 波形。调频法测量振动的波形振动测量测量悬臂梁的振幅及频率各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置电动机转速测量镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流 越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的 镀层和铜箔作出“厚度
11、-输出”电压的标定曲线，以便 测量时对照。 电涡流涂层厚度仪 电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射 线圈和接收线圈。当有金属物体 通过时，交变磁场就会在该金属 导体表面产生电涡流，会在接收 线圈中感应出电压，计算机根据 感应电压的大小、相位来判定金 属物体的大小。在安检门的侧面 还安装一台“软x光”扫描仪， 它对人体、胶卷无害，用软件处 理的方法，可合成完整的光学图 像。 安检门演示当有金属物体穿 越安检门时报警电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪油管探伤大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 滚滚子涡涡流探伤伤机滚子涡流探伤机 是由计算机控制的轴 承滚子表面微裂纹探 伤的专用设备，可探 出深 30m的表面微 小裂纹。（参考无锡锡市通达滚滚子有限公司资料）手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）掌上型电涡流探伤仪用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹台式电涡流探伤仪
