电涡流传感器(第七章)

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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、宽 度等等。来自不同应 用领域的许多量都可 归结为位移或间隙变 化。
数显位移测量仪及探头
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大直径电涡流探雷器
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偏心检测
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测量弯曲、波动、变形
对桥梁、丝杆等机械结构的振动 测量，须使用多个传感器。
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电涡流位移传感器的应用
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安检门演示
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6、电涡流表面探伤 • 电涡流探伤
金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量 探伤 由于集肤效应导体表面电涡流密度最大， 表面信息量最大，可用电涡流传感器测量金 属表面缺陷，存在缺陷时引起金属ρ、μ的变 化。 探伤时传感器与被测金属保持距离 不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化， 涡流损耗的改变引起输出电压的变化。
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电动机转速测量
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4、厚度测量
• 低频透射式涡流厚度传感器
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• 高频反射式涡流厚度传感器，可减小因为振动引起的干扰
厚度不变时 X1+X2 = 常数，输出电压 = 2U 厚度变化△σ时，输出电压 = 2U+△U 给定厚度σ与变化值△σ的代数和就是被测带材厚度。
•电涡流金属板、带材厚 度测量
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镀层厚度测量
由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越 小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层 和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测 量时对照。
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测量金属薄膜、板材厚度电 涡流测厚仪
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5、电涡流式通道安全检查门
安检门的内部设置有发射线 圈和接收线圈。当有金属物体通 过时，交变磁场就会在该金属导 体表面产生电涡流，会在接收线 圈中感应出电压，计算机根据感 应电压的大小、相位来判定金属 物体的大小。在安检门的侧面还 安装一台“软x光”扫描仪，它对 人体、胶卷无害，用软件处理的 方法，可合成完整的光学图像。
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二、等效电路分析
根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个
单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路. 原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：
Z10 R10 j L10
当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感 M 对初级作用， 等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：
R10 I1 j L10 I1 j MI 2 U1
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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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一、工作原理
把一个扁平线圈置于金 属导体附近，当线圈中通以 交变电流 I1 时，线圈周围空 间产生交变磁场 H1，当金属 导体靠近交变磁场中时，导 体内部就会产生涡流 I2 ，这 个涡流同样产生反抗 H1 的交 变磁场H2 。 涡流线圈结构虽然简单， 但要定量分析是很困难的， 可根据实际情况建立一个模 型，求出模型的等效电路。
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手持式裂纹测量仪
油管探伤
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滚子涡流探伤机
滚子涡流探伤机 是由计算机控制的轴 承滚子表面微裂纹探 伤的专用设备，可探 出深 30μm的表面微小 裂纹。
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掌上型
电涡流
探伤仪
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用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹
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径向分布： 涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系， 线圈外径确定后涡流范围也就确定了。 • 线圈外径处，r = ros 金属涡流密度最大； • 线圈中心处，r = 0 涡流密度为零(j=0)； • r < 0.4ros处（以内）基本没有涡流； • r = 1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的 5%。 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内
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强度：当线圈与被测体距离（X）改变时，电涡流密度
发生变化，强度也要变化。金属导体表面的电涡流强 度I2 与距离X是非线性关系，随 x/r上升而下降。
I2 I1 1 x x 2 ros 2
1.0
I2/I1
I2只有在x/r<<1才能有 较好的线性和灵敏度。 1 2 3 4 X=0，I2=I1； X/ros=1,I2=0.3I1 X>ros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros要大
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。只要固定其他因素就可以用电涡流传 感器来测量剩下的一个因素。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。 即使要用作 定 量 测 量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补 补偿等措施。
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2、振动测量
用电涡 流探头、 调幅法测 量简谐振 动时，探 头的输出 波形。
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调频法测量振动的波形
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2、振动测量
测量悬臂梁的 振幅及频率
汽轮机叶片测试
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3、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 z
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
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六、
电涡流传感器的应用
1、位移测量
电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化，可以计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等 非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下 使用。
X/ros
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四、
电涡流传感器结构及特性
交变磁场
电涡流探头外形
电涡流位移传感器外形
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五、
测量转换电路
1、调幅式（AM）电路
石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz） 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 起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最 终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如 两者之间的距离等参数）。
间距 x 的测量：如果控制上式中的其他参数不变， 电涡流线圈的阻抗 Z就成为间距 x 的单值函数，这样就 成为非接触地测量位移的传感器。 多种用途：如果控制其他参数不变，就可以用来检 测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数， 或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬 度等参数。
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电磁炉内部的励磁线圈
感器线圈R1 、L1的变化。 • 被测体（金属）的电阻率ρ、导磁率μ、厚度 d ，线圈 与被测体间的距离X， 激励线圈的角频率ω等都通过涡流 效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系 •ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1发生变化，若控制某 些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗 Z 成为这 个参数的单值函数。
Z f ( , , , d ,)
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集肤效应
当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施 加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生 高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时， 被测导体就产生电涡流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 为集肤效应（也称趋肤效应）。
集肤效应与激励源频率f、工件的电导率 、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的 渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。
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等效阻抗与非电量的测量
检测深度的控制：由于存在集肤效应，电 涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f， 可控制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。
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2、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）
当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流 线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出 频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模 拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转 换为电压Uo 。
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鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
第三节 涡流式传感器
电涡流效应演示
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由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线 运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这 种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根 据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; • 电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚 度、表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测 量进行非接触测量。 • 形成电涡流必须具备两个条件： ① 存在交变磁场 ② 导电体处于交变磁场中
j
金属
ros
涡流区
扁平线圈
h
r/ros
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轴向分布： 由于集肤效应涡流只在表面薄层存在， 沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。 距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；
Jo/e
jz j0e
z /h
h
Jz
h —— 集肤深度 z j0 —— 金属表面涡流密度(最大） jz —— 金属表面距离Z处的涡流
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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。
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三、涡流的分布和强度
涡流的分布：
因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于
金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实
际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的
涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。
j MI1 R2 I 2 j L2 I 2 0
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