涡流传感器

r 0.525ros ( ri )
3、当 r 1.89r os ( ro ) 到最大值的5％）
（称“有效外径”时，电流密度衰减
ri 0.525 ros
ro 1.89 ros
三、电涡流的轴向贯穿深度
“趋肤效应”(集肤效应）—交流电通过导体时，由于感应作用，引起导体 截面积上电流分布不均匀；越近导体表面，电流密度越大。
线圈外半径
导体假设只有一个环，而环 中的 电流密度（电流 / 单位面积） 是半径的函 数：
4 4 1 0 r ros j v o e jr 14 14 1 r ros jo v e
v
r 度 , jo为v 1时，电涡流（最大）密 ros
涡电流
抗阻 电感
Z F1 , , r, x, t , I ,
L1 F2 , , r, x, t , I ,
品质因数 Q F3 , , r, x, t, I ,
为磁导率, 为电导率, r为半径, x为距离, t为贯穿深度 , I为电流, 为频率
I 1 为线圈激励电流
x为间距

来自百度文库
ros为线圈外半径
讨论 1、电涡流随轴向距离x的增加而迅速减小；即：
I2 X ros I1
x 2、为了获得较强的电涡流效应，应保证： 1 ros
一般：X 0.05 0.15
ros
二、涡电流的径向形成范围 一种简化的模型 如图。
2 Z2
金属导体中产生的涡电流环的阻抗
2M 2
2 Z2
线圈等效电阻：R R1 R2 线圈等效电感：L L1 L2
2M 2
2 Z2
2M 2 ) j L1 L2 Z 2 2
2M 2
2 Z2
Q0无涡流影响
L2 2 M 2 L2 2 M 2 两线圈的品 L L1 (1 L Z 2 ) L 1 L Z 2 1 1 2 1 2 质因数： Q R2 2 M 2 R2 2 M 2 R R1 R1 (1 ) 1 2 2 R1 Z 2 R1 Z 2
贯穿深度值可由下式计算：
t 5000 , o rf r f
r
f

导体电阻率； 相对磁导率； 激励频率
讨论 （ 1 ）贯穿深度与被测体 的材料有关； （ 2 ）当被测导体材料一 定时。轴向贯穿深度是激 励频率的函数。频率越高， 趋肤深度越小。
§4-3 电涡流传感器的设计
一、线圈的形状和大小
二、等效电路分析 将涡电流等效为一个短路环， 则等效电路为： 由克希霍夫定律，得：
R1 I 1 jL1 I 1 jM I 2 U jM I 1 R2 I 2 jL2 I 2 0
L1
L2
解：
I1
U

2M 2 2M 2 R R j L L 1 1 2 2 2 2 2 2 R2 L1 R2 L2
线圈内半径
被测金属
当：r ros , 最大电流密度， jr j0 ;
ri 0.525 ros ro 1.89 ros
当：r 0, 或r , j 0。
讨论
1、当
r r os 时，即在线圈外径处，电涡流密度最大（＝jo)；
2、在线圈的轴线附近，电涡流非常小，可以设想为一个孔，这个 孔的孔径为 ；
§4-2电涡流形成的范围
电涡流不仅是距离x的函数，而且只在被测导体的表 面薄层及半径的有限范围内形成。
一、电涡流与轴向距离的关系
由线圈－导体的电磁作用，可得导体中电涡流为：
X 1 I 1 1 I 2 I1 1 2 2 2 X r r os os 1 X
讨论
（1）阻抗、电感、品质因数都与互感系数M有关。 M与x为非线性关系，即：
Z F1 x, L1 F2 x, Q F3 x
（2）若被测体为磁性材料，则x减小，L1增大；若被测 导体为非磁性材料，则L1=const.;
（3）传感器电感L除了与L1有关以外，还与在导体中产 生的涡电流有关，x减小，L也减小； （4）由于涡流损耗能量，使线圈阻抗的实数部分增加， 导致品质因数Ｑ值下降。
由于“趋肤效应”，涡流密度在金属导体中的轴向分 布 按指数规律衰减： x
jx jo e

t
jo －金属表面涡流密度（即最大电流密度）； jx －金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度；
jo 在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为： jt e 则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。
ｔ－趋肤深度（轴向贯穿深度）；
r r Bp ris dx dr ros
x
x
传感器线圈
bs
在轴上的磁感应强度
在线圈中，取单匝载流圆导线，在其轴上的磁感应强度：
第四章 电涡流式传感器
电涡流式传感器
干净、
高效的
电磁炉
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。
电磁炉内部的励磁线圈
大直径电涡流探雷器
§4-1工作原理
一、工作原理
一个通有交流电流J1的传感器线 圈，由于电流的变化，在线圈周围 就产生一个交变磁场H1。 被测导体置于该磁场周围之内， 被测导体内变会产生电涡流J2，电 涡流也将产生一个新的磁场H2。 H2与H1方向相反，因而抵消部分 原磁场，从而导致线圈的电感量、 阻抗和品质因素发生改变。
U

Z
传感器等效阻抗：
2M 2 2M 2 Z R1 2 R2 j L1 2 L2 2 2 R2 L2 R2 L2
2M 2 2M 2 A 记 2 2 2 R2 L2 Z2
线圈等效阻抗：Z ( R1 R2