电涡流位移传感器设计 (1)

电涡流位移传感器设计

技术要求：

1、量程：0～20mm

2、精度：1mm

3、激励频率：1M Hz

4、输入电压：24V

5、介质温度: -50℃～250℃

6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm

7、线性误差：＜±2%

8、工作温度：探头（-20～120）℃，延长电缆（-20～120）℃，前置器（-30～50）℃

9、频率响应：0～5KHz

一、总体设计方案

电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。根据下面的组成框图，构成传感器。

根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：

（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。

（2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。

（3）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。

二、电涡流传感器的基本原理

2.1 电涡流传感器工作原理

时，线圈根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i

1

周围空间必然产生正弦交变磁场H

1

，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生

感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。与此同时，电涡流i

2

又产生新的交变磁

场H

2；H

2

与H

1

方向相反，并力图削弱H

1

，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生

变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的一个，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而确定该参数的大小。

电涡流传感器的工作原理，如图2-2所示：

2.2 电涡流传感器等效电路分析

为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图2-3所示的等效电路。

图中R1，L1为传感器探头线圈的电阻和电感，短路环可以认为是一匝短路线圈，其中R2，L2为被测导体的电阻和电感。探头线圈和导体之间存在一个互感M，它随线圈与导体间距离的减小而增大。U1为激励电压，根据基尔霍夫电压平衡方程式，上图等效电路的平衡方程式如下：

经求解方程组，可得I1和I2表达式：

由此可得传感器线圈的等效阻抗为:

从而得到探头线圈等效电阻和电感。

通过式（2-4）的方程式可见：涡流的影响使得线圈阻抗的实部等效电阻增加，而虚部等效电感减小，从而使线圈阻抗发生了变化，这种变化称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场影响的导体中产生的电涡流起到调节线圈原来阻抗的作用。

因此，通过上述方程组的推导，可将探头线圈的等效阻抗Z表示成如下一个

简单的函数关系：

其中，x为检测距离；μ为被测体磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流频率。

所以，当改变该函数中某一个量，而固定其他量时，就可以通过测量等效阻抗Z的变化来确定该参数的变化。在目前的测量电路中，有通过测量ΔL或ΔZ等来测量x ,ρ,μ,f的变化的电路。

2.3 电涡流传感器测量电路原理

电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为调频式和调幅式电路。

电桥法是将传感器线圈的等效阻抗变化转换为电压或电流的变化。图2-4为电桥法的原理图。

图中A，B两线圈作为传感器线圈。传感器线圈与两电容的并联阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。

谐振法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化，传感器

线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为，谐

振时回路的等效阻抗最大，Z =L/RC，其中R为谐振回路等效电阻。当线圈电感L 发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化为变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。

调频式电路是通过测量谐振频率的变化来进行测量，其结构简单，便于遥测和数字显示；而调幅式电路是通过测量等效阻抗的变化来进行测量，由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高。下面以调幅式测量电路为例，说明谐振法的测量原理，如图2-5所示：

从图中可以看出LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个

高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为，其中i0为激励电流，

Z为等效阻抗。测量中，当探头线圈远离被测金属导体时，LC回路处于谐振状态，谐振回路上的输出电压最大；当探头线圈接近被测金属导体时，线圈的等效电感发生变化，导致回路失谐而等效阻抗发生变化，使输出电压下降。输出的电压再经过放大，检波，滤波后由指示仪器（电压表）读出，或输入示波器显示电压波形。这样就实现了将L-x关系转换成V-x关系，通过对输出电压的测量，可确定电涡流传感器线圈与被测金属导体之间的距离x。电涡流传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。

三、电涡流传感器探头参数

3.1 传感器线圈尺寸的选取

线圈轴向的磁场分布对涡流传感器的灵敏度和线性范围起决定性作用。对传感器来说总是希望灵敏度高，线性范围大。欲使线性范围大，就要求磁场轴向分布范围大；欲使灵敏度高，就要求轴向磁场强度变化梯度大。单匝的载流线圈在轴线上的磁感强度可以根据毕奥-萨伐定律推出：

——真空的磁导率；r——线圈的半径；I——通过线圈的电流；x 式中：μ

——轴线上某点P至线圈中心的距离。①当x小时（被测体靠近线圈），线圈半径r小，则产生的磁感应强度大。②当x 大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，