电涡流传感器的测量电路
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检波后输出一与被测量成正比的电压量。这种测量电路简单易行，主要 用于测量精度要求不高的差动式电涡流传感器中。
2.调幅电路 这种测量电路的基本原理是建立在传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路， 原理框图如图14.4所示，由晶体振荡器提供高频激励电压。当被测导体
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无变化时，LC谐振回路的频率与振荡器频率一致，这时回路阻抗Z为最大产 生的压降也达到最大。当传感器线圈与被测导体的距离发生变化时，涡流损 耗增加，回路失调，输出电压相应减小。因此，在一定范围内，输出电压幅 值与距离X成近似线性关系。由于输出电压的频率始终恒定，因此这种电路称 为调幅式测量电路。这种电路采用石英晶体振荡器作为激励源，主要是为了 获得最稳定的高频激励信号，以保证稳定的输出。因为振荡器的频率若发生 1%的变化，一般将引起输出电压10%左右的漂移。图14.4中R为耦合电阻，用 来减小传感器对振荡器的影响，作为恒流源的内阻，R的大小直接影响到系统 的灵敏度，R大灵敏度低，R小则灵敏度高；但过小时由于旁路作用也会使灵 敏度降低。因为，谐振回路输出的高频载波信号较弱，故设有高频放大、检 波和滤波处理部分，使系统的输出信号便于传输与检测。图中的源极输出器 是为了减小振荡器的负载而加的。
14.2 实训的基本原理
14.2.1电涡流传感器的结构原理 1.电涡流效应 当通过块状金属导体中的磁通发生变化时，根据法拉第电磁感应定律可知， 在金属导体中会感应出一圈圈自行封闭的感应电流，此电流称为电涡流， 这种物理现象称为电涡流效应。 2.电涡流传感器的结构原理 利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据电涡流在导体内的贯 穿情况，电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两大类[9]。这种传 感器一般主要有线圈、铁芯、框架和连接导线及外壳等几部分组成。
图14.6为这种电路的原理框图，其中静态与动态分别用于测量静态位移与 振动幅度。该电路的关键是提高振荡器的频率稳定度，通常可以从环境温度 变化、电缆电容变化和负载影响三方面来考虑。另外提高谐振回路元件本身 的稳定性也是提高频率稳定度的一个重要措施。因此，传感器线圈L可采用 热绕工艺绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定性的云母电容或具 有适当负温度系数的电容作为谐振电容C。
这种测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等 优点，因此在位移、转速、振动等测量及自动控制等领域得到了越来越广泛 的应用。
4.调频电路
这种测量电路与变频调幅测量电路一样，将传感器线圈直接接入电容三点 式振荡回路，所不同的是，它以振荡频率的变化为输出信号。如欲以电压作 为输出信号，则应后接鉴频器。
1
线圈
H1
I1
H2 被测导体
H I2
R1
M
R2
I1
I2
u
L1
L2
~
线圈系统
金属导体
图14.1 电涡流传感器原理图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图14.1 电涡流传感器等效电路图
变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测导体
的电阻率ρ、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、励磁电流频率 有关，还与线圈与被测金属导体的距离x有关。故电涡流传感器的线圈受电 涡流影响时的等效阻抗Z可用Z=F（ρ，，r，f，x）表示其函数关系，其中r 为传感器线圈与被测导体的民族尺寸因子。
如果保持上式中其它参数不变，只改变其中的一个参数，则传感器线圈 的等效阻抗Z就成了此参数的单值函数。通过与此相配套的测量电路测出其 等效阻抗Z的变化量就实现了对该参数的测量，这就是电涡流式传感器工作 的基本原理。
2
3.电涡流传感器的性能特点 电涡流式传感器不仅具有很高的灵敏度、良好的线性度和极强的抗干扰能 力、而且测量范围大、不易受油污等介质的影响，还具有结构简单、安装方 便，并能实现不接触测量等诸多优点。因此，它不仅在位移、振幅、厚度、 表面温度、流体压力、钢水的液位和转速等物理量的检测中得到了越来越广 泛的应用。而且在金属探伤检测、远距离监控、动力系统的故障诊断等许多 领域都得到了应用。
其工作原理如图14.1和14.2所示，由传感器线圈和被测导体组成线圈与导 体系统。根据法拉第电磁感应定律，当传感器线圈通以正弦交变电流İ1时， 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体产生 电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2；由愣次定律可知，H2将反抗原磁场 H1的变化，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。因此，线圈阻抗的
5
L±Δl f0±Δf
x±Δ
传 感
振 荡
器
器
高频 放大
位移输出
振幅 输出
检波器
低频 放大
限幅器 静态 动态
鉴频器 Δu
功率放 大器
图14.6 电涡流传感器调频原理图
2
6
5
7
3
1
WL涡流
液晶
变换 4 WL
电压表
5
图14.7 电涡流传感器标定原理图
6
14.2.3 电涡流传感器的特性测试原理
本次实训的基本原理与实训十二相似，将涡流线圈装在悬臂梁的自由 端，被测金属导体固定在实训台上，如图14.7所示，1为固定架、2是螺旋 测微头、3是涡流线圈、4为金属导体、5为实训台底座、6是涡流变换模块、 7是液晶电压表。当旋动螺旋测微头时，线圈与导体之间的距离就发生变化， 使导体的电涡流产生相应改变，导致传感器输出电压信号产生变化，经信 号处理电路处理后可输出一个与位移成正比的电压。信号处理电路主要是 涡流变换模块，它是一种变频调幅式测量电路。用液晶电压表来显示输出 电压，通过螺旋测微头给出的标准位移就可对传感器进行静态标定。
晶体振荡器
R
L
C
源极输出器
高频放大器
滤波器
检波器
图14.4 电涡流传感器调幅原理图
电容三点 式振荡器
检波器
滤波器
射极跟随器
4
图14.5 电涡流传感器变频调幅原理图
3.变频调幅电路
调幅电路虽然有很多优点，并获得了广泛的应用，但其线路复杂，安装调 试较困难，且线性范围也较窄。因此，科研人员对其进行了进一步改进，研 究出了变频式调幅测量电路。如图14.5所示，其原理是将传感器的线圈直接 接入电容三点式振荡回路，当被测导体与传感器线圈 的距离发生变化时， 由于电涡流的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生了改变，利用振荡 幅度的变化来测量线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。
14.2.2 电涡流传感器的测量电路
1.基本测量电路 电涡流式传感器的基本测量电路如图14.3所示，为一电容补偿的交流电桥， 工作原理如下：A、B为传感器线圈（差动结构），它们与电容C1、C2及电 阻R1、R2共同构成桥路的四个桥臂。当传感器线圈的阻抗产生变化时引起电 桥失衡，引不平衡电压经线性放大器放大，再经检波器
2.调幅电路 这种测量电路的基本原理是建立在传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路， 原理框图如图14.4所示，由晶体振荡器提供高频激励电压。当被测导体
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无变化时，LC谐振回路的频率与振荡器频率一致，这时回路阻抗Z为最大产 生的压降也达到最大。当传感器线圈与被测导体的距离发生变化时，涡流损 耗增加，回路失调，输出电压相应减小。因此，在一定范围内，输出电压幅 值与距离X成近似线性关系。由于输出电压的频率始终恒定，因此这种电路称 为调幅式测量电路。这种电路采用石英晶体振荡器作为激励源，主要是为了 获得最稳定的高频激励信号，以保证稳定的输出。因为振荡器的频率若发生 1%的变化，一般将引起输出电压10%左右的漂移。图14.4中R为耦合电阻，用 来减小传感器对振荡器的影响，作为恒流源的内阻，R的大小直接影响到系统 的灵敏度，R大灵敏度低，R小则灵敏度高；但过小时由于旁路作用也会使灵 敏度降低。因为，谐振回路输出的高频载波信号较弱，故设有高频放大、检 波和滤波处理部分，使系统的输出信号便于传输与检测。图中的源极输出器 是为了减小振荡器的负载而加的。
14.2 实训的基本原理
14.2.1电涡流传感器的结构原理 1.电涡流效应 当通过块状金属导体中的磁通发生变化时，根据法拉第电磁感应定律可知， 在金属导体中会感应出一圈圈自行封闭的感应电流，此电流称为电涡流， 这种物理现象称为电涡流效应。 2.电涡流传感器的结构原理 利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据电涡流在导体内的贯 穿情况，电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两大类[9]。这种传 感器一般主要有线圈、铁芯、框架和连接导线及外壳等几部分组成。
图14.6为这种电路的原理框图，其中静态与动态分别用于测量静态位移与 振动幅度。该电路的关键是提高振荡器的频率稳定度，通常可以从环境温度 变化、电缆电容变化和负载影响三方面来考虑。另外提高谐振回路元件本身 的稳定性也是提高频率稳定度的一个重要措施。因此，传感器线圈L可采用 热绕工艺绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定性的云母电容或具 有适当负温度系数的电容作为谐振电容C。
这种测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等 优点，因此在位移、转速、振动等测量及自动控制等领域得到了越来越广泛 的应用。
4.调频电路
这种测量电路与变频调幅测量电路一样，将传感器线圈直接接入电容三点 式振荡回路，所不同的是，它以振荡频率的变化为输出信号。如欲以电压作 为输出信号，则应后接鉴频器。
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线圈
H1
I1
H2 被测导体
H I2
R1
M
R2
I1
I2
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L1
L2
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线圈系统
金属导体
图14.1 电涡流传感器原理图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图14.1 电涡流传感器等效电路图
变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测导体
的电阻率ρ、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、励磁电流频率 有关，还与线圈与被测金属导体的距离x有关。故电涡流传感器的线圈受电 涡流影响时的等效阻抗Z可用Z=F（ρ，，r，f，x）表示其函数关系，其中r 为传感器线圈与被测导体的民族尺寸因子。
如果保持上式中其它参数不变，只改变其中的一个参数，则传感器线圈 的等效阻抗Z就成了此参数的单值函数。通过与此相配套的测量电路测出其 等效阻抗Z的变化量就实现了对该参数的测量，这就是电涡流式传感器工作 的基本原理。
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3.电涡流传感器的性能特点 电涡流式传感器不仅具有很高的灵敏度、良好的线性度和极强的抗干扰能 力、而且测量范围大、不易受油污等介质的影响，还具有结构简单、安装方 便，并能实现不接触测量等诸多优点。因此，它不仅在位移、振幅、厚度、 表面温度、流体压力、钢水的液位和转速等物理量的检测中得到了越来越广 泛的应用。而且在金属探伤检测、远距离监控、动力系统的故障诊断等许多 领域都得到了应用。
其工作原理如图14.1和14.2所示，由传感器线圈和被测导体组成线圈与导 体系统。根据法拉第电磁感应定律，当传感器线圈通以正弦交变电流İ1时， 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体产生 电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2；由愣次定律可知，H2将反抗原磁场 H1的变化，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。因此，线圈阻抗的
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L±Δl f0±Δf
x±Δ
传 感
振 荡
器
器
高频 放大
位移输出
振幅 输出
检波器
低频 放大
限幅器 静态 动态
鉴频器 Δu
功率放 大器
图14.6 电涡流传感器调频原理图
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WL涡流
液晶
变换 4 WL
电压表
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图14.7 电涡流传感器标定原理图
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14.2.3 电涡流传感器的特性测试原理
本次实训的基本原理与实训十二相似，将涡流线圈装在悬臂梁的自由 端，被测金属导体固定在实训台上，如图14.7所示，1为固定架、2是螺旋 测微头、3是涡流线圈、4为金属导体、5为实训台底座、6是涡流变换模块、 7是液晶电压表。当旋动螺旋测微头时，线圈与导体之间的距离就发生变化， 使导体的电涡流产生相应改变，导致传感器输出电压信号产生变化，经信 号处理电路处理后可输出一个与位移成正比的电压。信号处理电路主要是 涡流变换模块，它是一种变频调幅式测量电路。用液晶电压表来显示输出 电压，通过螺旋测微头给出的标准位移就可对传感器进行静态标定。
晶体振荡器
R
L
C
源极输出器
高频放大器
滤波器
检波器
图14.4 电涡流传感器调幅原理图
电容三点 式振荡器
检波器
滤波器
射极跟随器
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图14.5 电涡流传感器变频调幅原理图
3.变频调幅电路
调幅电路虽然有很多优点，并获得了广泛的应用，但其线路复杂，安装调 试较困难，且线性范围也较窄。因此，科研人员对其进行了进一步改进，研 究出了变频式调幅测量电路。如图14.5所示，其原理是将传感器的线圈直接 接入电容三点式振荡回路，当被测导体与传感器线圈 的距离发生变化时， 由于电涡流的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生了改变，利用振荡 幅度的变化来测量线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。
14.2.2 电涡流传感器的测量电路
1.基本测量电路 电涡流式传感器的基本测量电路如图14.3所示，为一电容补偿的交流电桥， 工作原理如下：A、B为传感器线圈（差动结构），它们与电容C1、C2及电 阻R1、R2共同构成桥路的四个桥臂。当传感器线圈的阻抗产生变化时引起电 桥失衡，引不平衡电压经线性放大器放大，再经检波器