4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.3.1 工作原理工作原理 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 传感器线圈通以正弦交变电流传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，时， 线线圈圈周周围围空空间间必必然然产产生生正正弦弦交交变变磁磁场场H1，， 使金属导体产生感应电涡流使金属导体产生感应电涡流 I2 ，， I2 又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场 H2 《电感式3电涡流》PPT课件 根根据据愣愣次次定定律律，，H2的的作作用用将将阻阻碍碍原原磁场磁场 H1 的变化 由由于于磁磁场场H2的的作作用用，，涡涡流流要要消消耗耗一一部部分分能能量量，，导导致致传传感感器器线线圈圈的的等等效效阻阻抗抗发生变化发生变化《电感式3电涡流》PPT课件 由由上上可可知知，，线线圈圈阻阻抗抗的的变变化化完完全全取取决于被测金属导体的电涡流效应决于被测金属导体的电涡流效应 电电涡涡流流效效应应既既与与被被测测体体的的ρ、、μ以以及及几何形状有关，几何形状有关，《电感式3电涡流》PPT课件 还还与与激激磁磁线线圈圈的的几几何何参参数数、、激激磁磁线线圈圈中中激激磁磁电电流流频频率率 f 有有关关，，同同时时还还与与激激磁线圈与导体间的距离磁线圈与导体间的距离 x 有关。
有关 传传感感器器线线圈圈受受电电涡涡流流影影响响时时的的等等效效阻抗阻抗 Z 的函数关系式为的函数关系式为 ：： 《电感式3电涡流》PPT课件 Z=F (ρ,μ, r, f, x) r 为为激磁线圈激磁线圈与与被测体被测体的尺寸因子的尺寸因子 如如果果保保持持上上式式中中其其它它参参数数不不变变，，而而只只改改变变其其中中一一个个参参数数，，传传感感器器线线圈圈阻阻抗抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数就仅仅是这个参数的单值函数 《电感式3电涡流》PPT课件 通通过过与与传传感感器器配配用用的的测测量量电电路路测测出出阻阻抗抗 Z 的的变变化化量量，，即即可可实实现现对对该该参参数的测量数的测量 4.3.2 基本特性基本特性 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流式传感器简化模型 《电感式3电涡流》PPT课件 在在被被测测金金属属导导体体上上形形成成的的电电涡涡流流可可等效为一个等效为一个短路环短路环，， 即假设电涡流仅分布在环体之内即假设电涡流仅分布在环体之内。
《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流的电涡流的轴向贯穿深度轴向贯穿深度 h 贯贯穿穿深深度度是是指指把把电电涡涡流流强强度度减减小小到到表面强度的表面强度的 1/e （（0.37）处的表面）处的表面厚度厚度《电感式3电涡流》PPT课件 f 为线圈激磁电流的频率为线圈激磁电流的频率 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流式传感器简化模型 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流的等效电路图电涡流的等效电路图 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 R2为电涡流短路环等效电阻为电涡流短路环等效电阻 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流式传感器简化模型 《电感式3电涡流》PPT课件 根据根据基尔霍夫基尔霍夫第二定律第二定律 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 ω——线圈激磁电流角频率；线圈激磁电流角频率； R1——线圈电阻；线圈电阻；L1——线圈电感；线圈电感；L2——短路环等效电感；短路环等效电感； R2——短路环等效电阻；短路环等效电阻；M——互感系数。
互感系数 《电感式3电涡流》PPT课件 等效阻抗等效阻抗 Z 为为 《电感式3电涡流》PPT课件 Req—线圈受电涡流影响后的等效电阻线圈受电涡流影响后的等效电阻 《电感式3电涡流》PPT课件 线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数Q值为值为 《电感式3电涡流》PPT课件 4.3.3 电涡流形成范围电涡流形成范围 1. 电涡流的电涡流的径向径向形成范围形成范围 线线圈圈与与导导体体系系统统产产生生的的电电涡涡流流密密度度既既是是线线圈圈与与导导体体间间距距离离 x 的的函函数数，，又又是是沿线圈半径方向沿线圈半径方向 r 的函数《电感式3电涡流》PPT课件 当当 x 一一定定时时，，电电涡涡流流密密度度 J 与与半半径径 r 的关系曲线如图的关系曲线如图4-25所示《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流密度J与半径r的关系曲线 《电感式3电涡流》PPT课件 J0 为金属导体表面电涡流密度，为金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值即电涡流密度最大值 Jr为为半半径径 r 处处的的金金属属导导体体表表面面电电涡涡流流密度。
密度 《电感式3电涡流》PPT课件 ①① 电电涡涡流流径径向向形形成成范范围围大大约约在在传传感感器器线线圈圈外外径径ras的的1.8～～2.5倍倍范范围围内内，，且且分分布不均匀布不均匀 《电感式3电涡流》PPT课件 ②② 电涡流密度在电涡流密度在 ri=0 处为零 ③③ 电电涡涡流流的的最最大大值值在在r=ras附附近近的的一一个狭窄区域内个狭窄区域内 ④④ 可以用一个平均半径为可以用一个平均半径为 的的短短路路环环来来集集中中表表示示分分散散的的电电涡涡流流（（图图中阴影部分）中阴影部分） 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流密度J与半径r的关系曲线 《电感式3电涡流》PPT课件 2. 电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 当当 x 改改变变时时，，电电涡涡流流密密度度也也发发生生变变化化，，即即电电涡涡流流强强度度随随距距离离 x 的的变变化化而而变变化《电感式3电涡流》PPT课件 金属导体金属导体表面表面的电涡流强度的电涡流强度 《电感式3电涡流》PPT课件 I1——线圈激励电流；线圈激励电流； I2——金属导体中等效电流；金属导体中等效电流； x——线圈到金属导体表面距离；线圈到金属导体表面距离； ras——线圈外径。
线圈外径 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流强度与距离归一化曲线《电感式3电涡流》PPT课件 ①① 电电涡涡流流强强度度与与距距离离 x 呈呈非非线线性性关关系，且随着系，且随着 x/ras 的增加而迅速减小的增加而迅速减小 ②② 当当利利用用电电涡涡流流式式传传感感器器测测量量位位移移时时，，只只有有在在 x/ras<<1(一一般般取取0.05～～0.15)的的条条件件下下才才能能得得到到较较好好的的线线性性和和较较高高的的灵敏度 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流强度与距离归一化曲线《电感式3电涡流》PPT课件 3. 电涡流的电涡流的轴向贯穿深度轴向贯穿深度 贯贯穿穿深深度度是是指指把把电电涡涡流流强强度度减减小小到到表面强度的表面强度的 1/e 处的表面厚度处的表面厚度 由由于于金金属属导导体体的的趋趋肤肤效效应应，，电电磁磁场场不不能能穿穿过过导导体体的的无无限限厚厚度度，，仅仅作作用用于于表表面薄层和一定的径向范围内面薄层和一定的径向范围内 《电感式3电涡流》PPT课件 导导体体中中产产生生的的电电涡涡流流强强度度随随导导体体厚度的增加按指数规律下降。
厚度的增加按指数规律下降《电感式3电涡流》PPT课件 d——金属导体中某一点与表面的距离；金属导体中某一点与表面的距离； Jd——沿沿 H1 轴向轴向 d 处的电涡流密度；处的电涡流密度； J0——金金属属导导体体表表面面电电涡涡流流密密度度，，即即电电涡流密度最大值；涡流密度最大值； h——电电涡涡流流轴轴向向贯贯穿穿的的深深度度（（趋趋肤肤深深度） 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流密度轴向分布曲线 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流密度主要分布在表面附近电涡流密度主要分布在表面附近 被测体电阻率愈大，相对导磁率愈被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则低，则 h 愈大 《电感式3电涡流》PPT课件 4.3.4 电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路 测量电路的种类：测量电路的种类： 调频式调频式 调幅式 《电感式3电涡流》PPT课件 1. 调频式电路调频式电路 《电感式3电涡流》PPT课件 调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 传传感感器器线线圈圈接接入入LC振振荡荡回回路路，，当当传传感感器器与与被被测测导导体体距距离离 x 改改变变时时，，在在涡涡流流影响下，影响下，传感器的电感变化传感器的电感变化。
将将导导致致振振荡荡频频率率的的变变化化，，该该变变化化的的频率是距离频率是距离 x 的函数，即的函数，即 f = L (x) 该频率可由该频率可由数字频率计数字频率计直接测量，直接测量， 或或者者通通过过 f—V 变变换换，，用用数数字字电电压压表表测量对应的电压测量对应的电压 《电感式3电涡流》PPT课件 振荡器电路如图振荡器电路如图(b)所示 它它由由克克拉拉泼泼电电容容三三点点式式振振荡荡器器( C2、、C3、、L、、C 和和ＶＶ1 )以以及及射射极极输输出出电电路路两两部部分组成 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 《电感式3电涡流》PPT课件 为为了了避避免免输输出出电电缆缆的的分分布布电电容容的的影影响，通常将响，通常将 L、、C 装在传感器内装在传感器内 此此时时电电缆缆分分布布电电容容并并联联在在大大电电容容C2、、C3 上上，，因因而而对对振振荡荡频频率率 f 的的影影响响将将大大大大减小。
减小 《电感式3电涡流》PPT课件 2. 调幅式电路调幅式电路《电感式3电涡流》PPT课件 调幅式测量电路示意图 《电感式3电涡流》PPT课件 传传感感器器线线圈圈L、、电电容容器器C和和石石英英晶晶体体组成振荡电路组成振荡电路 石石英英晶晶体体振振荡荡器器起起恒恒流流源源的的作作用用，，给给谐谐振振回回路路提提供供一一个个频频率率（（f0））稳稳定定的的激励电流激励电流 io 《电感式3电涡流》PPT课件 LC 回路输出电压回路输出电压 Z为为 LC 回路的阻抗回路的阻抗 《电感式3电涡流》PPT课件 调幅式测量电路示意图 《电感式3电涡流》PPT课件 当当金金属属导导体体远远离离或或去去掉掉时时，，LC并并联联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率谐振回路谐振频率即为石英振荡频率 fo 回回路路呈呈现现的的阻阻抗抗最最大大，，谐谐振振回回路路上上的输出电压也最大；的输出电压也最大； 当当金金属属导导体体靠靠近近传传感感器器线线圈圈时时，，线线圈圈的的等效电感等效电感L发生变化，导致回路失谐。
发生变化，导致回路失谐《电感式3电涡流》PPT课件 从从而而使使输输出出电电压压降降低低，，L的的数数值值随随距离距离 x 的变化而变化的变化而变化 输输出出电电压压经经放放大大、、检检波波后后，，由由指指示示仪表直接显示出仪表直接显示出 x 的大小 除除此此之之外外，，交交流流电电桥桥也也是是常常用用的的测测量电路 《电感式3电涡流》PPT课件 4.3.5 涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用 1.低频透射式涡流低频透射式涡流厚度厚度传感器传感器 2.高频反射式涡流高频反射式涡流厚度厚度传感器传感器 3. 电涡流式电涡流式转速转速传感器传感器 《电感式3电涡流》PPT课件 1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器《电感式3电涡流》PPT课件 透射式涡流厚度传感器结构原理图 《电感式3电涡流》PPT课件 在在被被测测金金属属板板的的上上方方设设有有发发射射传传感感器器线线圈圈 L1 ，，在在被被测测金金属属板板下下方方设设有有接接收收传感器线圈传感器线圈 L2 。
当当在在 L1 上上加加低低频频电电压压 U1 时时，，L1 上上产生交变磁通产生交变磁通φ1，，《电感式3电涡流》PPT课件 若若两两线线圈圈间间无无金金属属板板，，则则交交变变磁磁通通直直接接耦耦合合至至L2中中，，L2产产生生感感应应电电压压U2 《电感式3电涡流》PPT课件 将将被被测测金金属属板板放放入入两两线线圈圈之之间间，，L1线线圈圈产产生生的的磁磁场场将将导导致致在在金金属属板板中中产产生生电涡流电涡流, 并将贯穿金属板并将贯穿金属板 此此时时磁磁场场能能量量受受到到损损耗耗，，使使到到达达L2的的磁磁通通将将减减弱弱为为φ1′，，从从而而使使L2 产产生生的的感应电压感应电压U2下降《电感式3电涡流》PPT课件 金金属属板板越越厚厚，，涡涡流流损损失失就就越越大大，，电电压压 U2 就越小就越小 因因此此，，可可根根据据 U2 电电压压的的大大小小得得知知被测金属板的厚度被测金属板的厚度《电感式3电涡流》PPT课件 透透射射式式涡涡流流厚厚度度传传感感器器的的检检测测范范围围可达可达1～～100 mm，， 分辨率为分辨率为 0.1μm，， 线性度为线性度为 1%。
《电感式3电涡流》PPT课件 2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 《电感式3电涡流》PPT课件 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 《电感式3电涡流》PPT课件 为为了了克克服服带带材材不不够够平平整整或或运运行行过过程程中中上上下下波波动动的的影影响响，，在在带带材材的的上上、、下下两两侧侧对对称称地地设设置置了了两两个个特特性性完完全全相相同同的的涡涡流传感器流传感器 S1 和和 S2 若若带带材材厚厚度度不不变变，，则则被被测测带带材材上上、、下表面之间的距离总有下表面之间的距离总有x1+x2=常数《电感式3电涡流》PPT课件 两两传传感感器器的的输输出出电电压压之之和和为为 2Uo ，，数值不变数值不变 如如果果被被测测带带材材厚厚度度改改变变量量为为Δδ，，则则两两传传感感器器与与带带材材之之间间的的距距离离也也改改变变一一个个Δδ，两传感器输出电压此时为，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU 《电感式3电涡流》PPT课件 ΔU 经经放放大大器器放放大大后后，，通通过过指指示示仪仪表表即可指示出带材的厚度变化值。
即可指示出带材的厚度变化值《电感式3电涡流》PPT课件 3. 电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 《电感式3电涡流》PPT课件 电涡流式转速传感器工作原理图 《电感式3电涡流》PPT课件 在在软软磁磁材材料料制制成成的的输输入入轴轴上上加加工工一一键键槽槽，，在在距距输输入入表表面面d0处处设设置置电电涡涡流流传传感器，输入轴与被测旋转轴相连感器，输入轴与被测旋转轴相连 当当被被测测旋旋转转轴轴转转动动时时，，电电涡涡流流传传感感器与输出轴的距离变为器与输出轴的距离变为d0+Δd 《电感式3电涡流》PPT课件 由由于于电电涡涡流流效效应应，，使使传传感感器器线线圈圈阻阻抗抗随随Δd 的的变变化化而而变变化化，，从从而而导导致致振振荡荡回回路路的的Q发发生生变变化化，，它它们们将将直直接接影影响响振振荡荡器的电压幅值和振荡频率器的电压幅值和振荡频率 随随着着输输入入轴轴的的旋旋转转，，振振荡荡器器输输出出的的信信号号中中包包含含有有与与转转速速成成正正比比的的脉脉冲冲频频率率信号 《电感式3电涡流》PPT课件 该该信信号号由由检检波波器器检检出出电电压压幅幅值值的的变变化化量量，，然然后后经经整整形形电电路路输输出出频频率率为为 fn 的的脉冲信号。
脉冲信号 该信号经电路处理便可得到被测转速该信号经电路处理便可得到被测转速 《电感式3电涡流》PPT课件 这这种种转转速速传传感感器器可可实实现现非非接接触触式式测测量量，，抗抗污污染染能能力力很很强强，，可可安安装装在在旋旋转转轴轴近旁近旁长期长期对被测转速进行监视对被测转速进行监视 最高测量转速可达最高测量转速可达600 000 r /min 《电感式3电涡流》PPT课件 作业作业 P.85 4—10《电感式3电涡流》PPT课件 作业作业 P.85 4—10 何何谓谓涡涡流流效效应应？？怎怎样样利利用用涡涡流流效效应应进行位移测量？进行位移测量？《电感式3电涡流》PPT课件 。