第四章 电涡流式传感器(2013)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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：
• •
I2
I1
1
x x2 ro2s
• I1 1
1
1
ros x
2
•
I1 为线圈激励电流 x为间距 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：
x I2
ros
I1
2、为了获得较强的电涡流效应，应保证： x 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。
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：
jr
jo jo
v4e41 v14e141
0r r
ros
ros
线圈内半径
v r , ros
jo为v 1时，电涡流（最大）密 度
到最大值的5％）
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。
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 joe t
jo －金属表面涡流密度（即最大电流密度）；
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场 的线圈阻抗发生变化， 电涡流式传感器就是在这种涡流效应 的基础上建立起来的。
优点：
测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污 等介质的影响，结构简单，安装方便等特点
具有非接触测量的优点
电涡流传感器的基本形式是电涡流式位移传感器， 是基于它的位移输出特性，本章以电涡流式位移传 感器为重点，主要讲解电涡流线圈与待测导体间距 离变化时呈现的一些特性以及应用。
（3）L中第二项与电涡流有关，电涡流产生一与原磁场方 向相反的磁场并由此减小线圈的电感，间距x越小，电感的 减小程度就越大。
（4）在金属导体上流动的电涡流必然产生热量而消耗能量， 使线圈阻抗的实数部分增加，导致品质因数Ｑ值下降。
§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 内及半径方向的有限范围内形成。
由基尔霍夫定律，得：
R1
•
I1
jL1
•
I1
jM
•
I2
•
U
•
•
•
jM I1 R2 I2 jL2 I 2 0
解：
•
I1
•
•
U
R1
2M 2
R22 L1 2
R2
j L1
2M 2
R22 L2 2
百度文库L2
U
Z
传感器等效阻抗：
Z
R1
2M 2
R22 L2 2
R2
j L1
2M 2
R22 L2 2
L2
jx －金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度；
ｔ－趋肤深度（轴向贯穿深度）；
在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为： jt 则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。
jo e
贯穿深度值可由下式计算：
t
导体电阻率；
r 相对磁导率；
f 激励频率
5000 ,
o rf
r f
讨论
（1）贯穿深度与被测体 的材料有关；
品质因数 Q F3 , , r, x, t, I, r为激励线圈半径,
如果控制上面公式中的某些参数不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗 就成为这个参数的单值函数。特别是在 、、r、t、I、 恒定不变时。Z就 变成距离x的单值函数。因此，电涡流传感器是一个载流线圈加上金属导体。
二、等效电路分析
精确列出线圈阻抗与线圈到被测导体 距离等参数之间的函数是比较困难的， 可将涡电流等效为一个短路线圈，它 与传感线圈构成耦合线圈。
电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
1）干净、高效的电磁炉
电磁炉内部的励磁线圈
2）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。
3）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。
（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。
记
2M 2 R22 L2
2
2M 2
Z22
A
Z 2 金属导体中产生的涡电流环的阻抗
线圈等效阻抗：Z
(R1
R2
2M
Z
2 2
2
)
j L1
L2
2M
Z 22
2
线圈等效电阻：R
R1
R2
2M
Z
2 2
2
线圈等效电感：L
L1
L2
2M
Z22
2
Q0无涡流影响
线圈的品质 因数： Q
L
R
L1 (1
L2 L1
2M
第四章 电涡流式传感器
电涡流式传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进 行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激 励源（传感器线圈）。被测对象以某种方式调制磁场，从而 改变激励线圈的电感。
电涡流式传感器的工作原理是基于电涡流效应,电感线圈产生 的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该 电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流， 这种现象称为电涡流效应。
ri 0.525 ros
被测金属
ro 1.89 ros
当：r ros ,最大电流密度，jr j0; 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 r 0.525 ros ( ri ) ； 3、当 r 1.89ros( ro ) （称“有效外径”时，电流密度衰减
Z
2 2
2
)
R1 (1
R2 R1
2M
Z
2 2
2
)
L1
R1
1
1
L2 L1 R2 R1
2M
Z
2 2
2M
Z
2 2
2 2
讨论
L
L1
L2
2M
Z22
2
R
R1
R2
2M
Z
2 2
2
（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.;
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。
涡电流
阻抗 Z F1, ,r, x,t, I , 为金属导体的磁导率,为电导率,
电感
L1 F2 , , r, x,t, I, x为距离,t为厚度, I为电流,为频率，
由线圈－导体的电磁作用，可得导体中电涡流为：
• •
I2
I1
1
x x2 ro2s
• I1 1
1
1
ros x
2
•
I1 为线圈激励电流 x为间距 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：
x I2
ros
I1
2、为了获得较强的电涡流效应，应保证： x 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。
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：
jr
jo jo
v4e41 v14e141
0r r
ros
ros
线圈内半径
v r , ros
jo为v 1时，电涡流（最大）密 度
到最大值的5％）
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。
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 joe t
jo －金属表面涡流密度（即最大电流密度）；
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场 的线圈阻抗发生变化， 电涡流式传感器就是在这种涡流效应 的基础上建立起来的。
优点：
测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污 等介质的影响，结构简单，安装方便等特点
具有非接触测量的优点
电涡流传感器的基本形式是电涡流式位移传感器， 是基于它的位移输出特性，本章以电涡流式位移传 感器为重点，主要讲解电涡流线圈与待测导体间距 离变化时呈现的一些特性以及应用。
（3）L中第二项与电涡流有关，电涡流产生一与原磁场方 向相反的磁场并由此减小线圈的电感，间距x越小，电感的 减小程度就越大。
（4）在金属导体上流动的电涡流必然产生热量而消耗能量， 使线圈阻抗的实数部分增加，导致品质因数Ｑ值下降。
§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 内及半径方向的有限范围内形成。
由基尔霍夫定律，得：
R1
•
I1
jL1
•
I1
jM
•
I2
•
U
•
•
•
jM I1 R2 I2 jL2 I 2 0
解：
•
I1
•
•
U
R1
2M 2
R22 L1 2
R2
j L1
2M 2
R22 L2 2
百度文库L2
U
Z
传感器等效阻抗：
Z
R1
2M 2
R22 L2 2
R2
j L1
2M 2
R22 L2 2
L2
jx －金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度；
ｔ－趋肤深度（轴向贯穿深度）；
在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为： jt 则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。
jo e
贯穿深度值可由下式计算：
t
导体电阻率；
r 相对磁导率；
f 激励频率
5000 ,
o rf
r f
讨论
（1）贯穿深度与被测体 的材料有关；
品质因数 Q F3 , , r, x, t, I, r为激励线圈半径,
如果控制上面公式中的某些参数不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗 就成为这个参数的单值函数。特别是在 、、r、t、I、 恒定不变时。Z就 变成距离x的单值函数。因此，电涡流传感器是一个载流线圈加上金属导体。
二、等效电路分析
精确列出线圈阻抗与线圈到被测导体 距离等参数之间的函数是比较困难的， 可将涡电流等效为一个短路线圈，它 与传感线圈构成耦合线圈。
电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
1）干净、高效的电磁炉
电磁炉内部的励磁线圈
2）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。
3）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。
（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。
记
2M 2 R22 L2
2
2M 2
Z22
A
Z 2 金属导体中产生的涡电流环的阻抗
线圈等效阻抗：Z
(R1
R2
2M
Z
2 2
2
)
j L1
L2
2M
Z 22
2
线圈等效电阻：R
R1
R2
2M
Z
2 2
2
线圈等效电感：L
L1
L2
2M
Z22
2
Q0无涡流影响
线圈的品质 因数： Q
L
R
L1 (1
L2 L1
2M
第四章 电涡流式传感器
电涡流式传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进 行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激 励源（传感器线圈）。被测对象以某种方式调制磁场，从而 改变激励线圈的电感。
电涡流式传感器的工作原理是基于电涡流效应,电感线圈产生 的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该 电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流， 这种现象称为电涡流效应。
ri 0.525 ros
被测金属
ro 1.89 ros
当：r ros ,最大电流密度，jr j0; 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 r 0.525 ros ( ri ) ； 3、当 r 1.89ros( ro ) （称“有效外径”时，电流密度衰减
Z
2 2
2
)
R1 (1
R2 R1
2M
Z
2 2
2
)
L1
R1
1
1
L2 L1 R2 R1
2M
Z
2 2
2M
Z
2 2
2 2
讨论
L
L1
L2
2M
Z22
2
R
R1
R2
2M
Z
2 2
2
（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.;
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。
涡电流
阻抗 Z F1, ,r, x,t, I , 为金属导体的磁导率,为电导率,
电感
L1 F2 , , r, x,t, I, x为距离,t为厚度, I为电流,为频率，