常用传感器工作原理(电涡流式)

大直径电涡流探雷器
10
低 频 透 射 式
发射线圈L1和接收线圈 分置于被测金属板的上下方 分置于被测金属板的上下方。 发射线圈 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e1加到线圈 的两端后， 音频范围)电压 加到线圈L1的两端后 效应小，渗透深，当低频 音频范围 电压 加到线圈 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 产生感应电动势e2。 磁力线的一部分透过金属板，使线圈 产生感应电动势 。但由于涡流消 耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少 当金属板越厚时， 减少， 耗部分磁场能量，使感应电动势 减少，当金属板越厚时，损耗的能量越 输出电动势e2越小 因此， 的大小与金属板的厚度及材料的性质有 越小。 大，输出电动势 越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有 试验表明e2随材料厚度 的增加按负指数规律减少，因此， 随材料厚度h的增加按负指数规律减少 关。试验表明 随材料厚度 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e2的变化即可测厚度 的变化即可测厚度。 料的性质一定，则利用 的变化即可测厚度。 11
1
2
3
4
1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头
6
5
7
型号 CZF1-1000 CZF1-3000 CZF1-5000
线性范围 /µm 1000 3000 5000
线圈外径 /mm φ7 φ15 φ28
分辨力 /µm 1 3 5
线性误差 （%） <3 <3 <3
使用温度 /°C -15∼+80 -15∼+80 -15∼+80
µ作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器； 作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；
等的综合影响，可以做成探伤装置等。 ④利用变换量δ 、ρ 、µ 等的综合影响，可以做成探伤装置等。 涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量， 涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度 较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。 较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。
15
高频反射式涡流厚度传感器
16
涡流轴心轨迹测量
17
涡流振动测量
涡流转速测量
18
19
思 考
利用涡电流传感器测量物体位移时， 利用涡电流传感器测量物体位移时 ， 如果被测物体 是塑料材料，此时能否进行位移测量？ 是塑料材料 ， 此时能否进行位移测量 ？ 为了能对物 体进行位移测量应采取什么措施。 体进行位移测量应采取什么措施。
Z = f (δ)
并联谐振回路
f =
1 2 L π C
是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频 激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z 因而传感线圈与被测体之间距离δ的变化，引起Z的变化，使输出电压 跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法
13
调频电路
调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。 当金属板至传感器之间的距离δ发生变化时，将引起线圈电感的变 化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过鉴频器进行频率－电压 转换，即可得到与δ 成比例的输出电压。
分析上表请得出结论： 分析上表请得出结论： 线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？ 线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？
线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。 线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。
8
非接触电涡流式位移、振动传感器，具有非接触测量、线性范围较宽， 非接触电涡流式位移、振动传感器，具有非接触测量、线性范围较宽，灵敏度 抗扰动能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。 高、抗扰动能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。广泛应用于冶 化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速、厚度、 金、化工。航天等行业中，进行位移、振动、转速、厚度、表面不平度等机械 量的检测。 量的检测。 9
20
电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
干净、高 干净、 效的 电磁炉
21
电磁炉内部电流 通过励磁线圈， 通过励磁线圈， 产生交变磁场， 产生交变磁场， 在铁质锅底会 产生无数的电 涡流，使锅底 涡流， 自行发热， 自行发热，烧 开锅 内 的 食 物。
23
3
高 频 反 射 式
>1MHz
Φ1
i1
Φ2 i2
如图所示，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i1 时，便产生交变磁通量Φ1 ，金属板在此交 变磁场中会产生感应电流i2 ，这种电流在金属体内是闭合的，所以 称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场Φ2， ， 与线圈的磁场变化方向相反， Φ2总是抵抗Φ1的变化，由于涡流磁 场Φ2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。 的作用 涡电流式传感器是利用涡流效应， 涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进 行测量的。 行测量的。
6
基本结构：
高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。 高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。 由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对 由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、 整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下， 整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度 漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下， 漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用 高温漆包线。 高温漆包线。 下图为CZF1型涡流传感器的结构原理， 下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄 CZF1型涡流传感器的结构原理 槽内，形成线圈的结构方式。 槽内，形成线圈的结构方式。
测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度 测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高， 激励频率为1kHz 小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为 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。 左右。
12
测量电路：
阻抗分压式调幅电路和调频电路
阻抗分压式调幅电路
14
应用
1. 位移测量
主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。 主要用途之一，凡是可以变成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量。 如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本 气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。 用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。 用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。
2
交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿 交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小， 透深度 h：
ρ h =5 3 00 (cm ) µr f
ρ −导 的 阻 体 电 率 体 对 导 µr −导 相 磁 率
f −交 磁 频 变 场 率
可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡 可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低， 流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。 流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式 位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。 位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。 由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响， 由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能 进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、 进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、温度、硬 度等参数，以及用于无损探伤领域。 度等参数，以及用于无损探伤领域。 由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛， 由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反 射式电涡流传感器。 射式电涡流传感器。
2. 转速测量
在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n 金属体， 在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为n）金属体，旁边安装一个电涡 流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数， 流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数， 求出转速： 求出转速：
3. 电涡流探伤
f N ≈ ⋅6 0 n
可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。 可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。 探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导 探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、 率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。 率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。
第3章 常用传感器的工作原理
3.5 电涡流式传感器
何谓涡流？ 何谓涡流？ 在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等 。 在许多电工设备中都存在大块导体 如发电机和变压器的铁心和端盖等)。 如发电机和变压器的铁心和端盖等 当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时， 当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都 会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路， 会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈 旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如， 旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体 芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流， 芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流， 如图所示。 如图所示。 当交变电流通过导线时，感应电流（涡流） 当交变电流通过导线时，感应电流（涡流） 将集中在导体表面流通， 将集中在导体表面流通，尤其当频率较高 时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄 层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。 集肤效应现象 层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。