4 电涡流传感器

反射式电涡流传感器 工作原理：根据电磁感应定律, 当传感器线圈通以交变电流 I1 时, 线圈周围必然产生交变磁 场 H 1 , 使置于此磁场中的金属导 , I 又产 体中产生感应电涡流 I 2 2 生新的交变磁场 H 2 。 根据愣次 H 2 将反抗原磁场 H 1 的变 定律， 化，导致传感器线圈的等效阻抗 （或等效电感）发生变化。
第二节
电涡流传感器结构及特性
电涡流探头外形及 调理电路前置器
交变磁场
电涡流探头内部结构
1-电涡流线圈 2-探头壳体 3-壳体上的位置调节螺纹 4—印制线路板 5—夹持螺母 6—电源指示 7—阈值指示灯 8—输出屏蔽电缆线 9—电缆插头
YD9800系列电涡流位移传感器特性
线圈 直径
φ/mm
壳体 螺纹 /mm
z
10T
转速传感器与齿轮的相对位置
齿轮转速测量的计算
例： 设齿数z =48，测得频率 f=120Hz， 求：该齿轮的转速n 。 解：n =60f / z=60×120÷48=7200÷48 =150r/min
1－电涡流线圈 2－被测物
第三节
电涡流传感器的测量转换电路
一种为调幅（AM）式电路， 另一种为调频电路（PM）。 AM：用低频信号去调制高频载波的振幅，使其振幅 按低频调制信号的规律而变化。 PM：用低频信号去调制高频载波的频率，使其频率 按低频调制信号的规律而变化。其幅度虽然也有变化， 必须经过双向限幅器，才能变 为等幅波，后级电路可以用 “鉴频器”来鉴别载波的频率 变化，重新得到所包含的低频 信号。也可以接到单片机的计 数端，由单片机计算出被测量。
调频法
传感器线圈作为组成LC 振荡器的电感元件，当传感 器的等效电感L发生变化时， 引起振荡器的振荡频率变化， 该频率可直接由数字频率计 测得，或通过频率/电压转换 后用数字电压表测量出对应 的电压。 调频电路原理图
二、调频（FM）式电路
当电涡流线圈与被测体的距离x 变小时，电涡流线 圈的电感量L 也随之变小（非磁性金属），同时引起 LC 振荡器的输出频率变高。如果希望用模拟仪表进行 显示或记录时，使用“鉴频器”，可以将 f 转换为电 压Uo 。
贯穿深度：
1 f
圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图
a）直流电流时的均匀分布 b）中频电流时中心部位电密度减小 c）高频电流时，电流线趋向表面分布
二、电涡流线圈等效阻抗分析
设电涡流线圈在高频时的等效电阻为 R1（大于直流电阻）， 电感为L1。当有被测导体靠近电涡流线圈时，则被测导体等效为 一个短路环，电涡流线圈L1与导体之间存在一个互感M。互感随 线圈与导体之间距离的减小而增大。
交变励磁引起铁心的 涡流损耗 Pe
减小变压器铁损耗的方法： （1）使用软磁材料减小Ph ； （2）增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗 ； （3）用很薄的互相绝缘的硅钢 片（0.1mm）叠成铁心，每一片 硅钢片内部的电涡流需要走较长 的扁形路线，减小了电涡流损耗 。
Φ
电涡流大
Φ 电涡流小
电涡流在工业中的应用——中频炉
偏心和振动检测
电涡流探头
测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪
导向辊
测量冷轧板厚度
测量封口机工作间隙
电涡流探头
间隙越大， 电涡流越小
测量注塑机开合模的间隙
间距
三、转速测量
若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数 为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为 r/min）的计算公式为 f
n 60
调幅法
jL u 0 i0 z 0 i0 1 2 LC
调幅法测量电路 当传感器接近被测金属导体时，线圈电感L发生变化，谐振回路 的等效阻抗Z将随着L的变化而变化，相应的输出电压也变化。
一、调幅（AM）式电路
石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压 （100kHz~2MHz）用于激励电涡流线圈。金属 材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈 两端电压的衰减，输出电压Uo反映了金属体与电 涡流线圈的间距。
式中 R、L——电涡流线圈靠近被测导体时的等效电 阻和等效电感。 当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈 与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，等效电 阻R增大，品质因数Q值降低：
Q=ω L/R 等效电阻上消耗的有功功率P 增大： P=I 2R
影响电涡流线圈等效阻抗的因数
电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z由两部分构 成，即等效电感L和等效电阻R串联而成： Z=R+jωL=f(f、μ、σ、r、δ ) 上式中的μ、σ为金属导体的磁导率和电导率，r为表 面因子，包括粗糙度、沟痕、裂纹等。 如果控制上式中的f、μ、σ、r不变，电涡流线圈的阻 抗Z 就成为线圈与被测金属体的间距δ的单值函数，属 于非接触式测量。
2M 2 R R1 R2 2 R2 2 L2 2
2M 2 L L1 L2 2 R2 2 L2 2
电涡流线圈的等效阻抗
2 2 2 2 U1 M M Z [ R1 R2 2 ] j[ L1 L2 2 ] R j L 2 2 I R L R L 1 2 2 2 2
谐振电路
这种电路是把传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。
谐振频率:
f0
回路阻抗：
1 2 LC
j L Z0 1 2 LC
当传感器接近被测金属导体时，线圈等效电感L发生变化，回 路阻抗Z0和谐振频率f将随着L的变化而变化，因此可以通过测 量阻抗Z0和频率f来测量电感的变化，相应的就是调幅法和调 频法。
部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数
人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器 的振幅产生明显的衰减吗？
定频调幅式电路的幅频曲线
0－探头与被测物间距很远时 1－非磁性金属、间距较大时 2－非磁性金属、间距较小时（Q值降低） 3－磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）
4根曲线与f0的交点决定调幅电路的输出电压
当100kHz～2MHz信号源产生的交变电压施加 到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1 ，在线 圈周围产生交变磁场Φ 。如果将线圈靠近一块金 属导体，金属导体表面就产生电涡流i2。i2在金 属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中 在金属导体的表面，这称为趋肤效应。 交变磁场的频率f 越高，电涡流的渗透深度 就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应 来控制非电量的检测深度。
电涡流位移传感器的静态位移标定设备
1—探头夹具 2—电涡流探头 3—标准圆片状试件 4—千分尺测杆 5—千分尺套筒 6—套筒定螺钉 7—千分尺 8—底座 9—水平调节垫脚
电涡流位移传感器的标定
在标定区域里，共设置多个测量点。首先调节千分 尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，使 探头与试件刚好接触，计算机测得探头绝对零位的输 出电压。然后旋动千分尺，使试件缓慢离开探头，每 隔设定的位移（例如0.8mm），测量电涡流传感器的 输出电压。
第四章
电涡流传感器
本章介绍电涡流效应、趋肤效应、电涡流
传感器的原理、电涡流探头结构、特性、调
幅、调频转换电路，电涡流线性位移传感器、
wenku.baidu.com
安检门、裂纹检测等的应用，介绍接近开关
的概念、分类、特性、结构、工作原理、特
性参数及其应用。
第一节
电涡流传感器工作原理
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 减小， 等效电阻R 增 大，Q值降低， 流过电涡流线 圈的电流 i1 增 大。
将工频50HZ交流电转变为直流电，再逆变 为中频（300HZ以上至1000HZ）电压，接到 中频炉的中频绕组两端，在绕组中产生高密度 的交变磁力线，耐高温容器里盛放的金属原料 内部产生很大的电涡流，使金属的温度升高， 甚至融化。中频炉广 泛用于有色金属的 熔炼、淬火或锻压。
中频 功率源
趋肤效应（集肤效应）
传感器线圈
被测导体
工作过程：被测导体变化 电涡流变化 线圈等效阻抗变化
感应磁场变化
电涡流在日常生活中的应用——电磁炉
干净、 高效的 电磁炉
铁磁材料制作的锅具底部既有较大的磁滞损 耗,又能产生较大的电涡流,才能产生较大的热量
锅具与励磁线圈的距离增大时，电涡流减小， 产生报警信号，停止励磁。
电磁炉内部的励磁线圈
电涡流位移传感器的标定过程示意图
1—正程数据（黑点☻） 2—正程折线（细实线） 3—回程数据（空心圆圈☺） 4—回程折线（虚线） 5—计算机拟合曲线（粗实线）
4~20mA电涡流位移传感器外形
齐平式电涡流位移传感器外形
齐平式传感器安装时可以不高出安装 面，不易被损害。
V系列电涡流位移传感器外形
根据等效电路，可列出电路方程组为 j L I R1 I 1 1 1 j MI 2 U1 R2 I 2 j L2 I 2 j MI1 0 解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为 2 2 2 2 U M M Z 1 R1 R2 2 j[ L1 L2 2 ] 2 2 2 2 I1 R2 L2 R2 L2 电涡流传感器的等效阻抗可表示为 Z R j L 等效电阻 等效电感
M8×1 M14×1.5 M16×1.5 M30×2
线性 范围 /mm
1 4 8 25
最佳安装 距离
最小 被测面
分辨力
/mm 0.5 2 4 12
/mm 15 35 70 100
/μm 1 4 8 10
5 11 25 50
探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？
电涡流线圈的直径越大，探测范围就越 大——电涡流探雷器
鉴频器特性曲线
设鉴频器电路的初始频率f0=1MHz， 该鉴频器的初始输出电压为多少伏？当有铝 质金属板靠近时，输出电压如何变化？
第四节
电涡流传感器的应用
一、位移测量 电涡流位移传感器的输出为模拟量，例如： 0~5V。当金属物体接近探头的感应面时，金属 表面吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振 荡器的输出幅度衰减或频率变化，单片机根据 ΔUo或Δf，可以计算出与被检测物体的距离、振 动频率等参数。电涡流位移传感器属于非接触 测量器件，工作时不受灰尘、油污等因素的影 响。
并联谐振回路的谐振频率 1 f 2π LC0
设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调 电容C 0 =200pF， （1pF＝10-12F） 求：探头中的振荡器的初始频率f 0 。 （一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹） 解：
f 1 2π 0.8 10 100 10
-3 -12
=560kHz
当被测物与电涡流线圈的间距δ减小时，电涡流线圈 与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，等效电 阻R增大，Q值降低。由于线圈的感抗XL的减小比R的 增大大得多，故此时流过电涡流线圈的电流i1增大。
电涡流用于其他非电量的测量
如果控制间距 δ不变，就可以用来检测与表面 电导率 σ 有关的表面温度、表面裂纹等参数， 或者用来检测与材料磁导率μ有关的磁性特性、 表面硬度等参数。 表面温度升高，电导率σ 降低； 表面有裂纹时，电涡流减小。 检测深度的控制：电涡流线圈的激励频率一 般设定在100kHz~1MHz。频率越低，有效测量 距离越大，能够检测被测金属体内部参数的深 度也越深。
齐平式
电涡流位移传感器的应用
电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例 如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁 导率、表面因素、距离等，因此电涡流传感器 的应用领域十分广泛，但也同时带来许多不确 定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影 响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测 量。 在用作定量测量时，必须采用逐点标定、 计算机线性纠正、温度补偿等措施。
位移传感器的分类
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。
数显位移测量仪 探头
电涡流位移传感器用于轴向位移的监测
1—旋转设备（汽轮机） 2—主轴 3—联轴器 4—电涡流探头 5—夹紧螺母 6—发电机 7—基座
位移的标定方法
使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压 及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而 达到线性化和曲线拟合的目的。