1、13.3 涡流式传感器电感线圈通一交变电流，导线周围就会产生的变化的磁场，将导体置于此磁场中，磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回线，类似于水涡流形状，故称之为电涡流，简称涡流，如图 3.3.1 所示。这种现象叫涡流效应。涡流式传感器就是利用涡流效应来工作的。涡流的大小与金属导体的电阻率 、导磁率 、金属导体的厚度 、线圈激励信号频率 以及线圈h与金属导体间的距离 等参数有关。若只改变某一参数，固定其余参数，电涡流的就成为这一参数的单x值函数。由于涡流深度与传感器线圈的激励信号频率有关，频率越高，穿透深度越小，频率越低，穿透深度越小，故电涡流传感器可分为高频反射式和低频透
2、射式，它们基本工作原理相似，这里以高频反射式涡流传感器为例说明其原理及特性。3.3.1 工作原理设图 3.3.1 中，有一通以交变电流 的传感器线圈，由于 的存在，线圈周围就产生一个交变磁场1I1I。若被测导体置于该磁场范围内，由法拉第电磁感应定律，导体内将产生电涡流 ， 也将产生一个1H 2I新磁场 ，且 的方向与 相反，力图削弱 的作用，从而使激励线圈的电感量、阻抗和品质因数221H1发生变化。图 3.3.1 电涡流传感器的基本原理 图 3.3.2 电涡流传感器的等效电路为分析方便，建立电涡流传感器的简化模型以得到其等效电路。将被测导体看作一短路环，其上形成的电涡流等效为短路环中的电流，
3、和 为短路环的等效电阻和电感，如图 3.3.2 所示，设线圈的电2RL阻为 ，电感为 ，加在线圈两端的激励电压为 。线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈，它1R1L1U们之间的互感系数 是距离 的函数，随 的增大而减小。Mxx对电涡流传感器的等效电路，根据基尔霍夫电压定律，列出回路 1 和回路 2 的电压平衡方程1121220RIjLIjMI解方程可得到回路内的电流 和 ，并可进一步求得传感器线圈受金属导体影响后的等效阻抗为1I2 21 1UMZRjLI R其等效电阻、电感分别为221MRL21L传感器线圈的品质因数为 22011 02212Im()Re LMLMQZRZQ QR其中 为无涡
4、流影响的 值， 为导体等效短路环阻抗，且01/L22ZRL由上面的分析看出：1）由于涡流的影响，线圈等效阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此品质因数 值下降。Q2）影响线圈 、 、 变化的因素有导体的性质（ 、 ） 、线圈的参数（ 、 ） 、电流的频ZLQ2LR1LR率 以及线圈与导体间的互感系数 。由于线圈 、 、 的变化与 、 及 有关，因此将电MxZQ2M涡流式传感器归为电感式传感器。3）线圈的 、 、 都是系统互感系数 平方的函数，当构成电涡流传感器时， 、ZL 1Zfx、 都是非线性函数。但在一定范围内，可将这些函数近似地用线性函数表示，于是2Lfx3Qfx就可通过测量 、 、 的
5、变化线性地获得位移的变化。总之，电涡流传感器的工作原理可总结为：当传感器线圈与被测导体间距离远近不同时，它们间的耦合程度不同，反映出线圈的 、 、 的变化就不一样，通过测量 、 、 的变化，就可得到位移ZLQZLQ量的变化。3.3.2 结构类型1 高频反射式高频反射式又叫变间隙式，变间隙式电涡流传感器的结构见图 3.3.3，它由扁平线圈固定在框架上构成。其中，线圈采用高强度多股漆包线绕制而成，位于传感器的端部；线圈框架采用损耗小、电绝缘性能良好的聚四氟乙烯等材料制作；支座用于固定传感器；电缆和插头接后续测量电路，由于激励频率高，必须采用专用的高频电缆和插头。由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体
6、间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分，其材料的物理性质、尺寸及形状都与传感器特性密切相关。这种传感器，其被测金属导体内产生的涡流要消耗能量，且其产生的附加磁场 抵消掉一部分原线2H圈产生的磁场，故叫反磁场。这些作用都将“反射”回原激励线圈，改变原线圈的阻抗，从而可以测量3金属材料到线圈的距离。图 3.3.4 所示的是被测体直径对灵敏度的影响，纵坐标 为相对灵敏度，横坐标 表示被测体直k/Dd径与线圈直径的比值。由图看出，当 时，灵敏度将减小一半。为充分利用电涡流效应，被测/12Dd体的直径不应小于线圈直径的 1.8 倍，即 。.8同样，对被测体厚度也有一定的要求，一般
7、厚度 需大于 0.2mm，当然，这与激励频率有关，激励h频率越高，穿透深度越浅，反射效果越好。图 3.3.3 电涡流传感器的结构 图 3.3.4 被测体直径对灵敏度的影响2 低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器，其激励频率低，贯穿深度大，透射效果越好，适用于测量金属材料的厚度，结构如图 3.3.5 所示。2U图 3.3.5 低频透射式电涡流传感器 图 3.3.6 不同频率下的 曲线2()Ufh图 3.3.5 中，传感器由发射线圈 和接收线圈 组成，它们分别位于被测金属板材 的两侧。当低1L2 M频激励电压 加到 的两端时，将在 的两端产生感应电压 。若两线圈之间无金属导体， 的磁场1U
8、L22U 1L就能直接贯穿 ，这时 幅值最大。当有金属板后，将产生涡流，削弱 的磁场，造成 幅值下降。22 1L2U金属板越厚，涡流损耗越大， 幅值就越小。因此可利用 幅值的大小来反映金属板的厚度。2同一材料在不同频率下，其输出电压与板材厚度 的关系如图 3.3.6 所示。由图中看出：h1）激励频率较高时，曲线各段斜率相差较大，线性度不好，但是，当 较小时，灵敏度较高。h2）激励频率较低时，线性度较好，测量范围大，但灵敏度较低。为了使传感器具有较大的测量范围与较好的线性度，应选用较低的激励频率，例如 1kHz。43）当 较小时， 的斜率大于 的斜率；而当 较大时， 的斜率大于 的斜率。因此，测
9、薄板h3f1fh1f3f时应选较高的频率，测厚板时应选较低的频率。3.3.3 测量电路根据电涡流传感器的工作原理，被测量可以转换为线圈电感 、阻抗 和 值的变化，相应的测量LZQ电路也应有三种，测量线圈电感的谐振电路，测量阻抗的电桥电路以及测量 值的电路。而 值测量电路较少采用，故不作探讨。谐振电路的基本工作原理是：将传感器线圈和电容组成 谐振回路，谐振频率 ；谐LC12fLC振时回路阻抗最大，为 ； 为回路等效损耗电阻。当电感 变化时， 和 都随之变化，因0LZRC f0Z此，通过测量回路的阻抗或谐振频率即可获得被测值。相应地，谐振电路可分为调幅式和调频式两种。1 电桥电路如图 3.3.7
10、所示为电桥电路， 和 为线圈阻抗，它们可以是差动式传感器的两个线圈阻抗，也可12Z以是一个传感器线圈，另一个是平衡用的固定线圈。它们与电容 、 ，电阻 、 组成电桥的四个1C21R2臂。电源 由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需求选择。电桥将反映线圈阻抗的变化，把线u圈阻抗变化转换为电压幅值的变化。2 谐振电路1）调幅电路图 3.3.7 涡流式传感器的电桥电路 图 3.3.8 调幅式测量电路如图 3.3.8 所示，传感器线圈 和电容器 并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体振荡电路，起LC一个恒流源的作用，给谐振回路提供一个稳定频率（ ）的激励电流 ，则 回路的输出电压为0f0ILC0U
11、IZ式中， 是 回路的阻抗， 。ZLC/LR当金属导体远离或被去掉时， 并联谐振回路频率即为石英振荡频率 ，回路呈现的阻抗最大，C0f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 发生变化，导致回0 L路失谐，从而使回路阻抗降低，输出电压 降低。 的数值随距离 的变化而变化，因此输出电压0ULx5也随 而变化，此电压 经过放大、检波后，由指示仪表直接显示出 的大小。0Ux0U x电路采用石英晶体作振荡器，旨在获得高稳定度的频率激励信号，以保证稳定的输出。因为振荡频率若变化 1% ，一般将引起输出电压发生 10%的漂移。图 3.3.8 中， 为耦合电阻，用来减小传感器
12、对振荡器的影响，并作为恒流源的内阻。 愈大，灵敏R R度愈低， 愈小，灵敏度愈高；但是 又不能太小，由于振荡器的旁路作用，反而使灵敏度降低。R2）调频电路如图 3.3.9 所示，传感器线圈接入 振荡回路，当传感器与被测导体距离 发生改变时，在涡流影LCx响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化，且该变化的振荡频率 是距离 的函数，即 ，f ()fx该频率可由数字频率计直接测量，或者通过 变换，用数字电压表测量对应的电压。/FV振荡器电路如图 3.3.10 所示，它由谐振回路（ 、 ） 、电容三点式振荡器（ 、 、 、 ）以及射极跟随器（ ）组成。为避免输出电缆分布电容的影响，通常将 、1C231BG2BGL一起做在探头里，这样，电缆电容就并联在大电容 、 上，对振荡频率 的影响大大减小。为与C3f负载隔离，振荡器通过射极跟随器输出。图 3.3.9 调频谐振测量电路 图 3.3.10 调频式振荡测量电路
