电涡流传感器的测量电路

振动幅度。该电路的关键是提高振荡器的频率稳定度，通常可以从环境温度
变化、电缆电容变化和负载影响三方面来考虑。另外提高谐振回路元件本身
的稳定性也是提高频率稳定度的一个重要措施。因此，传感器线圈L可采用
热绕工艺绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定性的云母电容或具
有适当负温度系数的电容作为谐振电容C。
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线圈
H1
I1
H2 被测导体
H I2
R1
M
R2
I1
I2
u
L1
L2
~
线圈系统
金属导体
图14.1 电涡流传感器原理图
图14.1 电涡流传感器等效电路图
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导体
的电阻率ρ、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、励磁电流频率 有关，还与线圈与被测金属导体的距离x有关。故电涡流传感器的线圈受电 涡流影响时的等效阻抗Z可用Z=F（ρ，，r，f，x）表示其函数关系，其中r 为传感器线圈与被测导体的民族尺寸因子。
如果保持上式中其它参数不变，只改变其中的一个参数，则传感器线圈 的等效阻抗Z就成了此参数的单值函数。通过与此相配套的测量电路测出其 等效阻抗Z的变化量就实现了对该参数的测量，这就是电涡流式传感器工作 的基本原理。
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3.电涡流传感器的性能特点
电涡流式传感器不仅具有很高的灵敏度、良好的线性度和极强的抗干扰能 力、而且测量范围大、不易受油污等介质的影响，还具有结构简单、安装方 便，并能实现不接触测量等诸多优点。因此，它不仅在位移、振幅、厚度、 表面温度、流体压力、钢水的液位和转速等物理量的检测中得到了越来越广 泛的应用。而且在金属探伤检测、远距离监控、动力系统的故障诊断等许多 领域都得到了应用。
晶体振荡器
R
L
C
源极输出器
高频放大器
滤波器
检波器
图14.4 电涡流传感器调幅原理图
电容三点 式振荡器
检波器
滤波器
射极跟随器
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图14.5 电涡流传感器变频调幅原理图
3.变频调幅电路
调幅电路虽然有很多优点，并获得了广泛的应用，但其线路复杂，安装调
试较困难，且线性范围也较窄。因此，科研人员对其进行了进一步改进，研
检波后输出一与被测量成正比的电压量。这种测量电路简单易行，主要 用于测量精度要求不高的差动式电涡流传感器中。
2.调幅电路
这种测量电路的基本原理是建立在传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路， 原理框图如图14.4所示，由晶体振荡器提供高频激励电压。当被测导体
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无变化时，LC谐振回路的频率与振荡器频率一致，这时回路阻抗Z为最大产 生的压降也达到最大。当传感器线圈与被测导体的距离发生变化时，涡流损 耗增加，回路失调，输出电压相应减小。因此，在一定范围内，输出电压幅 值与距离X成近似线性关系。由于输出电压的频率始终恒定，因此这种电路称 为调幅式测量电路。这种电路采用石英晶体振荡器作为激励源，主要是为了 获得最稳定的高频激励信号，以保证稳定的输出。因为振荡器的频率若发生 1%的变化，一般将引起输出电压10%左右的漂移。图14.4中R为耦合电阻，用 来减小传感器对振荡器的影响，作为恒流源的内阻，R的大小直接影响到系统 的灵敏度，R大灵敏度低，R小则灵敏度高；但过小时由于旁路作用也会使灵 敏度降低。因为，谐振回路输出的高频载波信号较弱，故设有高频放大、检 波和滤波处理部分，使系统的输出信号便于传输与检测。图中的源极输出器 是为了减小振荡器的负载而加的。
其工作原理如图14.1和14.2所示，由传感器线圈和被测导体组成线圈与导 体系统。根据法拉第电磁感应定律，当传感器线圈通以正弦交变电流İ1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产生 电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2；由愣次定律可知，H2将反抗原磁场 H1的变化，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。因此，线圈阻抗的
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L±Δl f0±Δf
x±Δ
传 感
振 荡
器
器
高频 放大
位移输出
振幅 输出
检波器
低频 放大
限幅器 静态 动态
鉴频器 Δu
功率放 大器
图14.6 电涡流传感器调频原理图
2
6
5
7
3
1
WL涡流
液晶
变换 4 WL
电压表
5
图14.7 电涡流传感器标定原理图
6
14.2.3 电涡流传感器的特性测试原理
本次实训的基本原理与实训十二相似，将涡流线圈装在悬臂梁的自由 端，被测金属导体固定在实训台上，如图14.7所示，1为固定架、2是螺旋 测微头、3是涡流线圈、4为金属导体、5为实训台底座、6是涡流变换模块、 7是液晶电压表。当旋动螺旋测微头时，线圈与导体之间的距离就发生变化， 使导体的电涡流产生相应改变，导致传感器输出电压信号产生变化，经信 号处理电路处理后可输出一个与位移成正比的电压。信号处理电路主要是 涡流变换模块，它是一种变频调幅式测量电路。用液晶电压表来显示输出 电压，通过螺旋测微头给出的标准位移就可对传感器进行静态标定。
究出了变频式调幅测量电路。如图14.5所示，其原理是将传感器的线圈直接 接入电容三点式振荡回路，当被测导体与传感器线圈 的距离发生变化时，
由于电涡流的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生了改变，利用振荡 幅度的变化来测量线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。
这种测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等
14.2.2 电涡流传感器的测量电路
1.基本测量电路
电涡流式传感器的基本测量电路如图14.3所示，为一电容补偿的交流电桥， 工作原理如下：A、B为传感器线圈（差动结构），它们与电容C1、C2及电 阻R1、R2共同构成桥路的四个桥臂。当传感器线圈的阻抗产生变化时引起电 桥失衡，引不平衡电压经线性放大器放大，再经检波器
优点，因此在位移、转速、振动等测量及自动控制等领域得到了越来越广泛 的应用。
4.调频电路
这种测量电路与变频调幅测量电路一样，将传感器线圈直接接入电容三点
式振荡回路，所不同的是，它以振荡频率的变化为输出信号。如欲以电压作 为输出信号，则应后接鉴频器。
图14.6为这种电路的原理框图，其中静态与动态分别用于测量静态位移与
14.2 实训的基本原理
14.2.1电涡流传感器的结构原理 1.电涡流效应 当通过块状金属导体中的磁通发生变化时，根据法拉第电磁感应定律可知， 在金属导体中会感应出一圈圈自行封闭的感应电流，此电流称为电涡流， 这种物理现象称为电涡流效应。 2.电涡流传感器的结构原理 利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据电涡流在导体内的贯 穿情况，电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两大类[9]。这种传 感器一般主要有线圈、铁芯、框架和连接导线及外壳等几部分组成。