电涡流传感器文献综述

电涡流传感器文献综述

摘要：传统的检测方法可靠性较低、具有破坏性、检测速度较慢,无法满足各种各样的检测要求,同时还会造成材料的浪费。这时,就需要使用无损检测的方法。电涡流传感器具有对介质不敏感、非接触、全方位智能测量等特点，因此现在广泛应用于对检测行业中。本文通过前人已有的大量实例和实验，对电涡流传感器的做了最基本的分类并且研究它们的异同，揭示了它在检测行业中的重要地位，并且对电涡流传感器的非线性部分补偿做了进一步改进。

关键词：电涡流传感器；基本原理；传感器的分类；传感器的应用

1、引言

电涡流无损检测是以电磁感应原理为基础的一种常规无损检测方法，相对于传统的涡流无损检测方法，电涡流检测具有包含的频率分量丰富、检测信号信息量大、时域分析方便等优点。电涡流无损检测采用的是电涡流传感器，它的主要特点是频率响应速度快、测量的精度高、不受油液污染的影响、受外界磁场干扰小等。世界上第一台涡流探伤仪诞生于1935 年，并被应用于检验焊接钢管质量。涡流传感器发展至今类型已经多种多样,并在工业生产中的各个领域得到广泛应用，尤其是在无损探伤领域,已经成为一种不可或缺的无损检测手段。本文基于前人已经著述的十篇涡流无损检测研究，从他们不同的应用角度分析他们的相同点和不同点，并且对电涡流传感器今后的应用领域做出合理的预测。

2、电涡流传感器的基本原理

根据麦克斯韦电磁场理论，金属导体处于交变的磁场中，导体内部就会感应产生电流，这种感应出来的电流在导体内部就像水的旋涡那样在导体的近表旋转，由于其运动类似于漩涡所以被人们称为电涡流，这种无法被人体感知的电涡流场就称为电涡流效应。电涡流式传感器就是利用这种电涡流效应的原理而发明的一种传感器。

从电磁学的角度可以把被测金属板也可以简化为一个简单的感应线圈，并且线圈与被测金属板之间的互感系数将随着线圈与被测金属板之间的距离的减少而增大。

被测导体的各种参数不同，既能引起电涡流传感器线圈电阻R 值的变化，也能引起线圈感抗L 和线圈品质因子Q 值的变化。线圈阻抗Z 与电阻率ρ、磁导率μ、检测距离X、线圈激励电流的频率之间的函数关系，可以简写成Z =

f( ρ ,μ,x,ω)，若只改变其中的某一个参数，而控制其他参数恒定不变，这样阻抗Z 就可以表示成只与这个参数相关联的单值函数。

通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导的距离D的变化转化成电压或电流的变化，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物位移、振动等参数的测量。

3、电涡流式传感器的种类

高频反射式电涡流式传感器：这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化，从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化。为改善性能可在线圈内加入磁芯。

低频透射式电涡流式传感器：它由分别位于被测金属板材两面的发射线圈和接收线圈组成，适于测量金属板材的厚度。发射线圈L1接到振荡器上后所产生的磁力线穿过金属板M,于是在接收线圈 L2两端产生感应电压u2。由于金属板内产生电涡流使到达L2的磁力线减小。金属板的厚度δ越大，透射的磁力线越少,因而u2也就越小。u2与δ之间呈指数变化关系：u2∝e-δ/h，式中h为磁力线的贯穿深度。贯穿深度取决于激励频率，为使贯穿深度大于板材厚度，要将频率选得低些。频率低还可改善线性度。激励频率一般选在500赫左右。

螺管型：这种传感器由螺管和插入螺管的短路套筒组成，套筒与被测物体相连。套筒沿轴向移动时，电涡流效应引起螺管阻抗变化。这种传感器有较好的线性度，但是灵敏度较低，具有与螺管型电感式传感器（见电感式传感器）相似的特性，但没有铁损。

变面积型：这种传感器由绕在扁矩形框架上的线圈构成，它利用被测导体和传感器线圈之间相对覆盖面积的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移。为补偿间隙变化引起的误差常使用两个串接的线圈，置于被测物体的两边。它的线性测量范围比变间隙型的大，而且线性度较高。

变间隙型：这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化，从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化。为改善性能可在线圈内加入磁芯。

4、电涡流式传感器的应用

电涡流式传感器能实现非接触式测量，而且是根据与被测导体的耦合程度来测量，因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的。

在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。

在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。

在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。

此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。

5、结论

电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。在日新月异的生活中仍扮演着不可或缺的角色。

但是如果被测对象的材料不同，定频、调幅式、变频调幅式传感器的灵敏度和线性范围都要改变，必须重新矫校正。就是对同一种被测材料来说，如果被测表面的材质不均匀，或者工件内部有裂痕，都会影响测量结果。测量轴振动时，轴的不圆度也将反映的振幅值中。所以测量时要选择合适的测量点和均质光滑的测量表面。要测量准确，对被测体的几何形状也是有一定要求的。当被测体为平板形时，传感器头部应该有一定的空间，而不能有导电导体材料。同时还有被测体要大于传感器直径的三倍，否则会使灵敏度降低。如果别测体为圆柱时，其直径必须为传感器线圈直径的三倍以上。被测体厚度不能太薄，对一般钢材来说，其厚度要大于0.2mm。所以电涡流传感器的量程小也是一个待突破的难点，并且如何改善电涡流传感器在环境恶劣条件下的工作也有待于深入研究。

6、参考文献