电涡流式传感器

们与电容C1 、C2的并联阻抗Z1 、Z2作为电桥的
两个桥臂.
R1
C1 L1
Z1 L1 // C1
Z2 L2 // C2
振荡器 ~
R2
C2 L2
U0 检波 放大
图4-22 交流电桥测量电路
2. 调幅式电路
R
晶体振荡器
L
放大
C
检波
输出 滤波
图4-23 调幅式测量电路原理框图
涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回 路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物 体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器 的频率f0，此时LC并联回路呈现阻抗最大。 谐振回路上输出电压U0为：U0 = I0·Z
个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。
R
M
R1
图4-19 电涡流传感器等效电路
I
U1 L
I1
L1
根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：
.
.
.
.
R I jL I jM I 1 U 1
.
.
.
jM I R I jL I 0
11
11
.
. jM I I1 R1 jL1
.
.
I
U1
R jL jM jM
4.3 电涡流式传感器
4.3.1 电涡流式传感器的基本原理
涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的电 涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它
们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i
时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场 中会产生感应电流i1， i1在金属体内是闭合的， 所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板
变气隙式差动压力传感器
P
电感式油压传感器 —— 液压传动的各种机械装置
f 20kHz T 30C
电感式接近传感器
电感式接近传感器应用举例 1、生产中测量产品的长度
每个脉冲对应的长度： L0 D / N
被测物总长度：L M L0
2、生产线工件的计数 3、机械手的限位
4、生产工件加工定位 5、时序控制
2.若L1<L2，d点电位总是低于c点电位，M的指 针向另一个方向偏转。
电感测微仪
探头
测量 电桥
交流 放大
相敏 指示器 检波
振荡器
变气隙式电感测微仪
电感压力传感器 —— 变气隙式结构
F
A
L
P
56 7
4
3
2 1
图4-26 微压传感器 1 接头；2 膜盒；3 底座；4 线路板；
5 差动变压器；6 衔铁；7 罩壳
成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。
2. 低频透射式电涡流传感器
发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的
上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，
当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后， 所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产 生感应电动势u2。但由于涡流消耗部分磁场能 量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时， 损耗的能量越大，输出电动势u2越小。因此， u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试 验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少, 因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的
动画按扭
P79 2、3、4、7
的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的
距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若固定 某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。
演 示 实 验
4.3.2 电涡流传感器的等效电路 把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中
的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电
阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等 效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一
变化即可测厚度。
线圈L2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数 的规律减小，即
u2 e h
式中 δ——被测金属板的厚度； h——贯穿深度。
h f
测量厚度时，激励频率应选得较低。频率 太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚 度测量，通常选激励频率为1kHz左右。
测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚 金属板时，频率应低些。在测量电阻率ρ较小 的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测 量ρ较大的材料时，应选用较高的频率（如 2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较 好的线性和灵敏度。
不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通 过测量电路转换为电压输出。
高频反射式涡流传感器多用于位移测量。
由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可 粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在 槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理， 它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。
1
234
1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头
5
～
M
Φｉ
Φe
d
ie 电涡流传感器原理图
高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场φi，
当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层
产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场φe
阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流 损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗
使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测 体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等 效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换
Req R R12 L1 2 R1
Leq
L
2M 2 R12 L1
2
L1
当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流
式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，
测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。
4.3.3 电涡流传感器的种类 电涡流在金属导体内的渗透深度为:
h 5030
r f
说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器 线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器 可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高 频反射式电涡流传感器应用较广泛。
R1 jL1
.
R
jL
U1
2M
2 R1
jL1
R12 L1 2
.
U1
R
2M 2
R12 L1 2
R1
j L
2M 2
R12 L1 2
L1
传感器线圈的等效阻抗为：
.
Z
U1
.
I
R
2M 2
R12 L12
R1
jL
2M 2
R12 L12
L1
线圈的等效电阻和电感为：
2M 2
4.4 电感式传感器的应用
2
1
3
来自百度文库
a
图4-25 加速度传感器 1 悬臂梁；2 差动变压器；3 衔铁
位移测量 振幅测量 转速测量
差动式电感测厚仪
L1和L2为电感传感器的两个线圈，构成桥路相邻两 桥臂，另两个桥臂是C1、C2。4只二极管和4只电阻 R1~R4（减小温度误差）组成相敏整流器。
1.若L1>L2，不论电源极性是 a点为正b点为负（D1，D4导 通）；或a点为负b点为正 （D2，D3导通），d点电位 总是高于c点电位，M的指 针向一个方向偏转。
4.3.4 电涡流传感器的转换电路 电涡流传感器转换电路的作用就是将Z、L或Q转 换为电压或电流的变化。阻抗Z的转换电路一般 用电桥，电感L的转换电路一般用谐振电路，又 可以分为调幅法和调频法两种。
1. 交流电桥
将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的
变化。图中L1 、L2是两个差动传感器线圈，它
1. 高频反射式电涡流传感器
高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的 表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。 与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，
引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL 的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电 流i及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其它参数