传感器原理及应用论文

电涡流传感器的原理及应用

摘要：电涡流传感器以其灵敏度高、动态响应快和测量的非接触性等优点，广泛应用于检测机械位移、振幅、及材料的物理参数等，目前该传感器被广泛应用于电力、石油、煤炭、化工、冶金等行业和一些科研单位。本文对电涡流位移传感器的工作原理、研究现状、工程应用、发展趋势及其技术缺陷等方面进行了综述，使读者对电涡流传感器的基础知识和工程应用有一定的了解。

关键词：电涡流传感器；工作原理；工程应用；研究现状

中图分类号：TP212.9

Principle and Application of Eddy Current Sensor

Abstract: Eddy current sensor with its high sensitivity, fast dynamic response and the advantages of non-contact measurement is widely used to detect mechanical displacement , amplitude, and physical parameters of the material , at present, the sensors are widely used in electric power, petroleum, coal, chemical, metallurgy and other industries, and some research institutes. In this paper, the principle aspects, current research, engineering applications, trends and technical defects of eddy current displacement sensors were reviewed, allowing the reader to the basic knowledge and engineering applications eddy current sensors have a certain understanding.

Key words: Eddy current sensor; Principle; Engineering application; Research status

0引言

电涡流现象的发现可追溯到1831年，法拉第(Michael Faradays)发现了电磁感应现象，1879年，休斯(Hughes)记录下了当线圈靠近具有不同电导率及磁导率的金属导体时，其本身特性的变化情况，但直到第二次世界大战，电涡流效应才被实际用于金属导体材料的探测。20世纪50及60年代，美国本特利公司和德国的Rentique研究所相继研究了电涡流传感器原理，并逐步发展出了产品及仪器。目前，电涡流检测方法及传感器已经成为一种精确度高、应用广泛的传感器。上世纪60年代，冶金、航空和有色金属等行业就已经开始采用涡流来检测成型金属管材的表面缺陷，但因涡流检测技术发展不足，在分辨率和可靠性及抑制干扰等方面存在缺陷，检测仅仅局限于导电材料的表面。直到80年代后期，才取得一定突破，90年代以来，其应用领域更是扩展到航空航天、核工业、电力、石油、化工、机械、冶金等部门[1]。随着工业生产和科学技术发展对电涡流检测技术的要求日益增高，电涡流检测技术及传感器的应用将会越来越广泛。

近年来，电涡流检测技术越来越多的受到无损检测工作者的青睐，同其他无损检测技术相比，它具有非接触、无污染、操作方便等特点[2]。这项基于电磁感应原理的一种新兴检测技术，通过利用麦克斯韦方程及其边界条件对处于敏感探头形成的电磁场中的被测金属导体及其周围空间区域列出方程并进行求解，对探头线圈的阻抗特性的变化与被测体各影响因素之间的关系加以确定[3]。

本文对电涡流位移传感器的工作原理、研究现状、工程应用、发展趋势及其技术缺陷等方面进行了综述，使读者对电涡流传感器的基础知识和工程应用有一定的综合了

解。

1 电涡流传感器的工作原理

电涡流传感器主要由三部分组成：探头、延伸电缆、前置器，如图1-1 所示。电涡流传感器探头主要由框架和安置在框架上的线圈组成；延伸电缆为连接探头与前置器的信号传输线；前置器主要实现信号的发生、信号的变换、信号的提取和信号的处理功能。电涡流传感器检测基于涡流效应（金属导体置于变化磁场中，导体内就会产生呈漩涡状流动的感应电流的现象，称之为电涡流效应），涡流的形成必须具备两个条件：存在交变磁场；被测对象处于交变磁场中。前置器中信号发生部分产生高频振荡电流通过延伸电缆流入线圈，在探头端部线圈中产生交变磁场，与在交变磁场下的被测金属导体共同组成了电涡流传感器系统。

图1-1 电涡流传感器的构成

依据电涡流效应在被测对象上产生磁场反作用于探头线圈引起相关参数的变化，将非电量转换为对应相关参数的电量变化从而达到探测的目的。其电涡流的工作原理如图1-2 所示。当线圈中通有交变电流I1时，由于电流的变化，在线圈周围就会产生交变磁场H1，由于电磁感应定律可知，当被测对象靠近探头线圈，处于磁场作用范围内时，金属体表面层中就会感应出电流，由于此电流为闭合电流（称电涡流I2），它又产生一个与H1反向磁场H2，阻碍外磁场H1的变化。从而导致线圈中阻抗Z、电感量L及品质因数Q发生变化，这种变化就反映了被测体的电涡流效应的作用。

图1-2 电涡流工作原理

涡流的大小与被测对象的电阻率ρ、磁导率μ、尺寸因子r、励磁电流I、电流角频率ω、导体与线圈间距离x等参数有关。如果控制某些参数不变，使上述参数中某一参数是其他参数的单一变量，就构成了测量不同变量（参数）用的一种涡流式传感器[4]。

由于电涡流传感器的测量范围广，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力以及可以非接触测量等优点，广泛用于工业生产和科学研究的各个领域。表 1.1 给出了电涡流传感器测量的参数，变化量及特征。

表 1.1 电涡流传感器在测量中的应用特征

被测参数变换量特征

位移，厚度，

振动

x

1、非接触连续测量

2、受剩磁影响表面温度，

电解质浓

度，材质判

别，速度（温

度）

ρ

1、非接触连续测量

2、对温度变化进行

补偿

应力，温度μ

1、非接触连续测量

2、受剩磁材料影响

探伤x, ρ, μ可以定量测量