常用传感器工作原理(电涡流式)

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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，其穿 透深度 h ：
h 5030 r f
(cm)
导体的电阻率 r 导体相对磁导率
f 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。 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。
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1
2
3
4
1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头
6
5
7
型号 CZF1-1000 CZF1-3000 CZF1-5000
线性范围 / m 1000 3000 5000
线圈外径 /mm 7 15 28
分辨力 /m 1 3 5
线性误差 （%） <3 <3 <3
使用温度 /C -15+80 -15+80 -15+80
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高 频 反 射 式
>1MHz
Φ1
i1
Φ2 i2
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δ， 当线圈输入一交变电流i1 时，便产生交变磁通量Φ1 ，金属板在此交 变磁场中会产生感应电流i2 ，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Φ2， 与线圈的磁场变化方向相反， Φ2总是抵抗Φ1的变化，由于涡流磁 场Φ2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。
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一般讲，线圈的阻抗变化 与金属导体的电阻率 、 磁导率 、线圈与金属导 体的距离 以及线圈激励 电流的频率 f 等参数有关 。
Φ1
i1
Φ2
即，线圈阻抗 Z 是这些参数的 函数，可写成
i2
Z f (, , , f )5源自Z f (, , , f )
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： ①利用位移 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； ②利用材料电阻率 作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器 ③利用磁导率
作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；
④利用变换量 、 、 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。
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基本结构：
高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。 由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对 整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度 漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用 高温漆包线。 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 槽内，形成线圈的结构方式。
大直径电涡流探雷器
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低 频 透 射 式
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 料的性质一定，则利用e2的变化即可测厚度。 11
第3章 常用传感器的工作原理
3.5 电涡流式传感器
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。
涡流转速测量
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思 考
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。
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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
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电磁炉内部的励磁线圈
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电磁炉的工作原理
高频电流 通过励磁线圈， 产生交变磁场， 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。
f N 60 n
可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。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。
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高频反射式涡流厚度传感器
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涡流轴心轨迹测量
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涡流振动测量
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。
2. 转速测量
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：
3. 电涡流探伤
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调频电路
调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。 当金属板至传感器之间的距离δ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－电压 转换，即可得到与δ 成比例的输出电压。
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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。
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。
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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。 9
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。
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测量电路：
阻抗分压式调幅电路和调频电路
阻抗分压式调幅电路
Z f ( )
并联谐振回路
f
1 2 LC
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δ的变化，引起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