电感电涡流
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第三节
工作原理 电涡流效应既 与被测体的电 阻率ρ、磁导 率μ以及几何 形状有关, 又 与线圈几何参 数、线圈中激 磁电流频率有 关, 还与线圈 与导体间的距 离x有关。
电涡流式传感器
传感 器激励 电流
H 1
传感 器激励 线圈
I 1
～ (a )
H 2
被测 金属导 体
(b )
I 2
图 电涡流式传感器原理图 （a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体
① 电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径 ras的 1.8～2.5 倍范围内, 且分布不均匀。
② 电涡流密度在短路环半径r=0处为零。
金属被 测物
线圈
③ 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。
④ 可以用一个平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路 环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。
3. 电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应 , 电涡流沿金属导体纵向的 H1 分布是不均 匀的, 其分布按指数规律衰减, 可用下式表示：
J d J 0e
d h
式中: d——金属导体中某一点至表面的距离; Jd——沿H1轴向d处的电涡流密度; J 0 —— 金属导体表面电涡流密度 , 即电涡流密度最大值 ; h——电涡流轴向贯穿深度（趋肤深度）。
四、测量电路
（一）电桥电路
两个差动 涡流线圈
Z
Z
（二）谐振法测量电路
1 f 并联谐振的谐振频率： 0 2 LC
Z0 并联谐振时的阻抗最大：
L RC
线圈电感的变化，会引起（1）振荡电路阻抗变化； （2）谐振频率变化。 因此，测量这两种的任一种都可以测出电感量的变化。
（L （1）调幅式测量电路
由公式可知, 电涡流密度主要分布在表面附近，改变f，可控 制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz~1MHz 。频率 越低，检测深度越深。
二、高频反射式电涡流传感器
线圈
金 属 物 体 高频反射式电涡流传感器利用线圈与金属导体 之间的磁性耦合程度的变化测量距离。 金属物体的电导率越高，测量灵敏度越高。 框架 框架 衬套 固定螺母 电缆
三、低频透射式电涡流传感器
发射线圈
发射 磁场 涡流及 磁场 接收侧 磁场 接收线圈 低频激励，有较大的贯穿深度，适于测量厚度，金属 板越厚，接收侧磁场越弱，接收线圈的感应电压u2 越小。 发射线圈的电源频率取1kHz左右。
t
u2 e
(t
f
)
低频透射式涡流厚度传感器 在被测金属的上方设有发射传感器线圈 L1, 在被测金属板下 方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时, 则L1上 产生交变磁通Φ1, 若两线圈间无金属板, 则交变磁场直接耦合 至L2中, L2产生感应电压U2。 如果将被测金属板放入两线圈之 间, 则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。 此时磁场能量受到损耗, 到达L2的磁通将减弱为Φ′１, 从而 使L2 产生的感应电压 U2 下降。金属板越厚 , 涡流损失就越大 , U2电压就越小。因此, 可根据U2电压的大小得知被测金属板的 厚度, 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1～100mm, 分辨率 为0.1μm, 线性度为 1%。
Z变化
输出变化）
分布 电容
传感器
（L
振荡频率变化）
（2）调频式测量电路
五、电涡流式传感器的应用
（一）测量位移 动态位移 测量 被测零件 涡流传感器 涡流传感器 （二）测量振动 机械轴 机械轴 振形图 测量 涡流传感器
x——线圈到金属导体表面距离; ras——线圈外径。
根据上式作出的归—化曲线如图 4 - 22 所示。
以上分析表明:
① 电涡强度与距离x呈非线性关系, 且随着x/ras的增加而迅
速减小。 ② 当利用电涡流式传感器测量位移时, 只有在x/ras (一般取 0.05～0.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。
2. 电涡流强度与距离的关系
理论分析和实验都已证明, 当x改变时, 电涡流密度发生变 化, 即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈—导体系统 的电磁作用, 可以得到金属导体表面的电涡流强度为
I 2 I1[
1 x
(x r )
2 2 as
1
]
2
(4 - 40)
式中: I1——线圈激励电流; I2——金属导体中等效电流;
互感M
等效电阻R
等效电感L
电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围
线圈—导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距 离x的函数, 又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时, 电涡流 密度J与半径r的关系曲线见图 4 - 21 所示。
由图可知(图中J#-0为金属导体表面电涡流密度， 即电涡 流密度最大值。 Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。)：
模型化：可以把电涡 流短路环等效为一匝 短路线圈，电阻为R2 电感为L2
一、电涡流式传感器的复阻抗
Z源自文库
等效电路 等效 阻抗 距离
原理图
U 2M 2 2M 2 1 Z R1 2 R2 j L1 2 L2 2 2 I1 R2 (L2 ) R2 (L2 )
根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1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
体中产生闭合环形电流即感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。 根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场 H1，由于磁场H2的作
用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电 涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关, 又与 线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关 , 还与线圈与导体间的距 离x有关。
传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为
Z=F(ρ,μ,r,f,x)
式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。
(4-40)
测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其
中一个参数， 传感器线圈阻抗 Z就仅仅是这个参数的单值函 数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可 实现对该参数的测量。
工作原理 电涡流效应既 与被测体的电 阻率ρ、磁导 率μ以及几何 形状有关, 又 与线圈几何参 数、线圈中激 磁电流频率有 关, 还与线圈 与导体间的距 离x有关。
电涡流式传感器
传感 器激励 电流
H 1
传感 器激励 线圈
I 1
～ (a )
H 2
被测 金属导 体
(b )
I 2
图 电涡流式传感器原理图 （a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体
① 电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径 ras的 1.8～2.5 倍范围内, 且分布不均匀。
② 电涡流密度在短路环半径r=0处为零。
金属被 测物
线圈
③ 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。
④ 可以用一个平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路 环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。
3. 电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应 , 电涡流沿金属导体纵向的 H1 分布是不均 匀的, 其分布按指数规律衰减, 可用下式表示：
J d J 0e
d h
式中: d——金属导体中某一点至表面的距离; Jd——沿H1轴向d处的电涡流密度; J 0 —— 金属导体表面电涡流密度 , 即电涡流密度最大值 ; h——电涡流轴向贯穿深度（趋肤深度）。
四、测量电路
（一）电桥电路
两个差动 涡流线圈
Z
Z
（二）谐振法测量电路
1 f 并联谐振的谐振频率： 0 2 LC
Z0 并联谐振时的阻抗最大：
L RC
线圈电感的变化，会引起（1）振荡电路阻抗变化； （2）谐振频率变化。 因此，测量这两种的任一种都可以测出电感量的变化。
（L （1）调幅式测量电路
由公式可知, 电涡流密度主要分布在表面附近，改变f，可控 制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz~1MHz 。频率 越低，检测深度越深。
二、高频反射式电涡流传感器
线圈
金 属 物 体 高频反射式电涡流传感器利用线圈与金属导体 之间的磁性耦合程度的变化测量距离。 金属物体的电导率越高，测量灵敏度越高。 框架 框架 衬套 固定螺母 电缆
三、低频透射式电涡流传感器
发射线圈
发射 磁场 涡流及 磁场 接收侧 磁场 接收线圈 低频激励，有较大的贯穿深度，适于测量厚度，金属 板越厚，接收侧磁场越弱，接收线圈的感应电压u2 越小。 发射线圈的电源频率取1kHz左右。
t
u2 e
(t
f
)
低频透射式涡流厚度传感器 在被测金属的上方设有发射传感器线圈 L1, 在被测金属板下 方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时, 则L1上 产生交变磁通Φ1, 若两线圈间无金属板, 则交变磁场直接耦合 至L2中, L2产生感应电压U2。 如果将被测金属板放入两线圈之 间, 则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。 此时磁场能量受到损耗, 到达L2的磁通将减弱为Φ′１, 从而 使L2 产生的感应电压 U2 下降。金属板越厚 , 涡流损失就越大 , U2电压就越小。因此, 可根据U2电压的大小得知被测金属板的 厚度, 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1～100mm, 分辨率 为0.1μm, 线性度为 1%。
Z变化
输出变化）
分布 电容
传感器
（L
振荡频率变化）
（2）调频式测量电路
五、电涡流式传感器的应用
（一）测量位移 动态位移 测量 被测零件 涡流传感器 涡流传感器 （二）测量振动 机械轴 机械轴 振形图 测量 涡流传感器
x——线圈到金属导体表面距离; ras——线圈外径。
根据上式作出的归—化曲线如图 4 - 22 所示。
以上分析表明:
① 电涡强度与距离x呈非线性关系, 且随着x/ras的增加而迅
速减小。 ② 当利用电涡流式传感器测量位移时, 只有在x/ras (一般取 0.05～0.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。
2. 电涡流强度与距离的关系
理论分析和实验都已证明, 当x改变时, 电涡流密度发生变 化, 即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈—导体系统 的电磁作用, 可以得到金属导体表面的电涡流强度为
I 2 I1[
1 x
(x r )
2 2 as
1
]
2
(4 - 40)
式中: I1——线圈激励电流; I2——金属导体中等效电流;
互感M
等效电阻R
等效电感L
电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围
线圈—导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距 离x的函数, 又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时, 电涡流 密度J与半径r的关系曲线见图 4 - 21 所示。
由图可知(图中J#-0为金属导体表面电涡流密度， 即电涡 流密度最大值。 Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。)：
模型化：可以把电涡 流短路环等效为一匝 短路线圈，电阻为R2 电感为L2
一、电涡流式传感器的复阻抗
Z源自文库
等效电路 等效 阻抗 距离
原理图
U 2M 2 2M 2 1 Z R1 2 R2 j L1 2 L2 2 2 I1 R2 (L2 ) R2 (L2 )
根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1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
体中产生闭合环形电流即感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。 根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场 H1，由于磁场H2的作
用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电 涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关, 又与 线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关 , 还与线圈与导体间的距 离x有关。
传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为
Z=F(ρ,μ,r,f,x)
式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。
(4-40)
测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其
中一个参数， 传感器线圈阻抗 Z就仅仅是这个参数的单值函 数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可 实现对该参数的测量。