电涡流传感器(第七章)
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19
2、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）
当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流 线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出 频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模 拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转 换为电压Uo 。
20
鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
14
➢ 强度：当线圈与被测体距离（X）改变时，电涡流密度
发生变化，强度也要变化。金属导体表面的电涡流强 度I2 与距离X是非线性关系，随 x/r上升而下降。
I2
I1
1
x
x2 ros 2
1.0
I2/I1
I2只有在x/r<<1才能有
较好的线性和灵敏度。 X=0，I2=I1；
1 2 3 4 X/ros
5
二、等效电路分析
➢ 根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个
单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路. 原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：
Z10 R10 jL10
当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感 M 对初级作用， 等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：
R10I1 jL10I1 jMI2 U1
集肤效应与激励源频率f、工件的电导率
、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的
渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。
8ຫໍສະໝຸດ Baidu
等效阻抗与非电量的测量
检测深度的控制：由于存在集肤效应，电 涡流只能检测导体表面的各种物理参数。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。
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。
11
三、涡流的分布和强度
涡流的分布： ➢ 因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于金 属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际 上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡 流密度不同，存在径向分布和轴向分布。
12
➢ 径向分布： 涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系， 线圈外径确定后涡流范围也就确定了。
• 线圈外径处，r = ros 金属涡流密度最大； • 线圈中心处，r = 0 涡流密度为零( j=0)； • r < 0.4ros处（以内）基本没有涡流； • r = 1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%。 ❖ 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内
X/ros=1,I2=0.3I1
X>ros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros要大
15
四、 电涡流传感器结构及特性
交变磁场
电涡流探头外形
电涡流位移传感器外形
17
18
五、 测量转换电路
1、调幅式（AM）电路
石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz） 用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引 起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最 终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如 两者之间的距离等参数）。
Z f (, , ,d,) 7
集肤效应
当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施 加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生 高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时， 被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并 不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称 为集肤效应（也称趋肤效应）。
第三节 涡流式传感器
电涡流效应演示
1
❖ 由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线 运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这 种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根 据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; • 电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚度、 表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测量进 行非接触测量。 • 形成电涡流必须具备两个条件：
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
21
六、 电涡流传感器的应用
1、位移测量
电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化，可以计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等 非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下 使用。
jMI1 R2I2 jL2I2 0
6
解方程得到金属靠近后传感器（初级）的等效阻抗
Z1
U1 I1
R10
2M 2R2 R22 (L2 )2
j[L10
R22
2M 2 L2
(L2
)2
]
结论： • 凡是能引起 R2 L2 M变化的物理量均可以引起传
感器线圈R1 、L1的变化。 • 被测体（金属）的电阻率ρ、导磁率μ、厚度d，线圈与 被测体间的距离X， 激励线圈的角频率ω等都通过涡流效 应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系 •ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1发生变化，若控制某 些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗 Z 成为这个 参数的单值函数。
j ros
扁平线圈 金属
1
涡流区
h
r/ros
13
➢ 轴向分布： 由于集肤效应涡流只在表面薄层存在， 沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。
距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；
Jo/e
jz j0ez / h
h
Jz
h —— 集肤深度
z
j0 —— 金属表面涡流密度(最大）
jz —— 金属表面距离Z处的涡流
① 存在交变磁场 ② 导电体处于交变磁场中
2
3
电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
干净、 高效的 电磁炉
4
一、工作原理
➢ 把一个扁平线圈置于金属 导体附近，当线圈中通以交 变电流I1时，线圈周围空间 产生交变磁场H1，当金属导 体靠近交变磁场中时，导体 内部就会产生涡流I2，这个 涡流同样产生反抗H1的交变 磁场H2 。 ➢涡流线圈结构虽然简单， 但要定量分析是很困难的， 可根据实际情况建立一个模 型，求出模型的等效电路。
间距x的测量：如果控制上式中的其他参数不变， 电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就 成为非接触地测量位移的传感器。
多种用途：如果控制其他参数不变，就可以用来检
测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数， 或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬
度等参数。
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电磁炉内部的励磁线圈
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2、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）
当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流 线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出 频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模 拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转 换为电压Uo 。
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鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
14
➢ 强度：当线圈与被测体距离（X）改变时，电涡流密度
发生变化，强度也要变化。金属导体表面的电涡流强 度I2 与距离X是非线性关系，随 x/r上升而下降。
I2
I1
1
x
x2 ros 2
1.0
I2/I1
I2只有在x/r<<1才能有
较好的线性和灵敏度。 X=0，I2=I1；
1 2 3 4 X/ros
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二、等效电路分析
➢ 根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个
单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路. 原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：
Z10 R10 jL10
当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感 M 对初级作用， 等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：
R10I1 jL10I1 jMI2 U1
集肤效应与激励源频率f、工件的电导率
、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的
渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。
8ຫໍສະໝຸດ Baidu
等效阻抗与非电量的测量
检测深度的控制：由于存在集肤效应，电 涡流只能检测导体表面的各种物理参数。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。
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。
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三、涡流的分布和强度
涡流的分布： ➢ 因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于金 属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际 上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡 流密度不同，存在径向分布和轴向分布。
12
➢ 径向分布： 涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系， 线圈外径确定后涡流范围也就确定了。
• 线圈外径处，r = ros 金属涡流密度最大； • 线圈中心处，r = 0 涡流密度为零( j=0)； • r < 0.4ros处（以内）基本没有涡流； • r = 1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%。 ❖ 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内
X/ros=1,I2=0.3I1
X>ros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros要大
15
四、 电涡流传感器结构及特性
交变磁场
电涡流探头外形
电涡流位移传感器外形
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五、 测量转换电路
1、调幅式（AM）电路
石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz） 用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引 起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最 终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如 两者之间的距离等参数）。
Z f (, , ,d,) 7
集肤效应
当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施 加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生 高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时， 被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并 不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称 为集肤效应（也称趋肤效应）。
第三节 涡流式传感器
电涡流效应演示
1
❖ 由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线 运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这 种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根 据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; • 电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚度、 表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测量进 行非接触测量。 • 形成电涡流必须具备两个条件：
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
21
六、 电涡流传感器的应用
1、位移测量
电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化，可以计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等 非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下 使用。
jMI1 R2I2 jL2I2 0
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解方程得到金属靠近后传感器（初级）的等效阻抗
Z1
U1 I1
R10
2M 2R2 R22 (L2 )2
j[L10
R22
2M 2 L2
(L2
)2
]
结论： • 凡是能引起 R2 L2 M变化的物理量均可以引起传
感器线圈R1 、L1的变化。 • 被测体（金属）的电阻率ρ、导磁率μ、厚度d，线圈与 被测体间的距离X， 激励线圈的角频率ω等都通过涡流效 应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系 •ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1发生变化，若控制某 些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗 Z 成为这个 参数的单值函数。
j ros
扁平线圈 金属
1
涡流区
h
r/ros
13
➢ 轴向分布： 由于集肤效应涡流只在表面薄层存在， 沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。
距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；
Jo/e
jz j0ez / h
h
Jz
h —— 集肤深度
z
j0 —— 金属表面涡流密度(最大）
jz —— 金属表面距离Z处的涡流
① 存在交变磁场 ② 导电体处于交变磁场中
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电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
干净、 高效的 电磁炉
4
一、工作原理
➢ 把一个扁平线圈置于金属 导体附近，当线圈中通以交 变电流I1时，线圈周围空间 产生交变磁场H1，当金属导 体靠近交变磁场中时，导体 内部就会产生涡流I2，这个 涡流同样产生反抗H1的交变 磁场H2 。 ➢涡流线圈结构虽然简单， 但要定量分析是很困难的， 可根据实际情况建立一个模 型，求出模型的等效电路。
间距x的测量：如果控制上式中的其他参数不变， 电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就 成为非接触地测量位移的传感器。
多种用途：如果控制其他参数不变，就可以用来检
测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数， 或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬
度等参数。
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电磁炉内部的励磁线圈
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