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1、3章常用传感器的工作原理3.5亀涡流式传感孝何谓涡流?在许多电工设备中都存在大块导体（如发电机和变压器的铁心和端盖等）。 当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都 会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈 旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体 芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流, 如图所示。当交变电流通过导线时，感应电流（涡流） 将集中在导体表面流通，尤其当频率较高 时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄 层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小
2、，其穿 透深度力:Q-导体的电阻率-导体相对磁导率 交变磁场频率|=,可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡 流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式 位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。1=11=III由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能 进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬 度等参数，以及用于无损探伤领域。由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反 射式电涡流传感器。高频反射式lMHz如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为6 当线圈输入一交变电流/
3、时，便产生交变磁通量0“金属板在此交 变磁场中会产生感应电流厶，这种电流在金属体内是闭合的，所以 称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场。2, 与线圈的磁场变化方向相反，2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进 行测量的。一般讲，线圈的阻抗变化 与金属导体的电阻率Q、 磁导率“、线圈与金属导 体的距离$以及线圈激励 电流的频率/等参数有关O即，线圈阻抗Z是这些参数的函数，可写成Z = /（门込“/）若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就 能成为这个参数的单值函数。其应用大致有下列四个方面: 利用位移5
4、作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传 感器，也可做成接近开关、计数器等;III 利用材料电阻率Q作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器 利用磁导率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器; 利用变换量5、P、等的综合影响，可以做成探伤装置等。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。基本结构：富频反射削涡流传爲器主要由线圈和權来组成。由于电涡流扎传磁赛的主体是激啟线圈，所以线圈的性能和几何尺寸.形状对 整个测量糸统的性能将产生重要的彩响。一般悄况下，线圈的导线采用需務度 漆包线U要求较京的场合，可以用银或银合金
5、线H農较京厦度条件下，需要用 京溪漆包线。槽内，形成线圈的结构方式。桑瓦1线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄型号线性范围 /|Lim线圈外径/mm分辨力/pm线性误差（%）使用温度/CCZF1-1000100013-15+80CZF1-30003000（|）153315+80CZF1-50005000（|）285315+80分析上表请得出结论:线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系?线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。非接触电涡流式位移振动传感器，具有非接触测量.线性范围较宽，灵敏度 高抗扰动能力强无
6、介质影响稳定可靠易于处理等优点。广泛应用于冶 金、化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速、厚度、表面不平度等机械 量的检测。#大直径电涡流探雷器A#低频遞射式低频透射式#|=III发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤 效应小，渗透深，当低频（音频范围）电压e1加到线圈L1的两端后，所产生 磁力线的一部分透过金属板，使线圈L2产生感应电动势e2。但由于涡流消 耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越 大,输出电动势e2越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有 关。试验表明e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材
7、 料的性质一定，则利用e2的变化即可测厚度。#测量 电路：阻抗分压式调幅电路和调频电路测量厚度时，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1kHz 左右。#测量 电路：阻抗分压式调幅电路和调频电路#测量 电路：阻抗分压式调幅电路和调频电路R阻抗分压式调幅电路2tt4LC是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频 激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z因而传感线圈与被测体之间距离6的变化，弓I起Z的变化，使输出电压 跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法调频电路调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。当金
8、属板至传感器之间的距离6发生变化时，将引起线圈电感的变 化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过鉴频器进行频率一电压 转换，即可得到与成比例的输出电压。#应用1位移测量主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测O2.转速测量1=I在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n）金属体，旁边安装一个电涡 流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数, 求出转速：尸3.电涡流探伤N “60n可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处
9、的质量探伤等。统称探伤。探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导 率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。高频反射式涡流厚度传感器#涡流轴心轨迹测量放大器放大器传感器涡流振动测量齿轮传感器#屯感测微爲A0.4MPeF-B电盘侧电磁进 駆动器 y计算机电路电龜阀駆动誥落料乍相敏检粧g电圧放大电胳蒔钢测头位打板电磁翻板m利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体 是塑料材料，此时能否进行位移测量？为了能对物 体进行位移测量应采取什么措施O#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#作原理高频电流ifi通过励磁线圈,#不锈钢锅体线3涡流支板OjO o owo o og产生交变磁场,微晶玻璃 台板在铁质锅底会 产生无数的电 涡流，使锅底 自行发热，烧 开锅内的食 物。#
