电感式传感器C--电涡流式传感器

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1、3.7电涡流式传感器3.7.1工作原理图3-22电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体转圈，这种现象称为涡流效应。1线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感2由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。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，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，同时还与线圈与导体间的距离x有关。因此，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：..

2、......Z=F(ρ,μ,r,f,x)(3-40)式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。3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。Z=F(ρ,μ,r,f,x)4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。它的变换量可以是位移，也可以是被测材料的性质，其应用大致有下列四个方向：1）利用位移作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；2）利用材料电阻率ρ作为变换量，可以做成测

3、量温度、材质判别等传感器；3）利用导磁率μ作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；4）利用变换量、ρ、μ等的综合影响，可以做成探伤装置等。53.7.2基本特性图3-23电涡流式传感器简化模型6电涡流传感器简化模型如图3-23所示。模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：(3-41)式中,f为线圈激磁电流的频率。7图3-24电涡流式传感器等效电路图8根据简化模型，可画出如图3-24所示的等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为(3-42)根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：(3-43)9式

4、中：ω——线圈激磁电流角频率；R1、L1——线圈电阻和电感；L2——短路环等效电感；R2——短路环等效电阻；M——互感系数。10由式（3-43）解得等效阻抗Z的表达式为(3-44)式中：Req——线圈受电涡流影响后的等效电阻11Leq——线圈受电涡流影响后的等效电感线圈的等效品质因数Q值为综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路，运用电路分析的基本方法得到的式（3-44）和式（3-45），为电涡流传感器基本特性表示式。(3-45)123.7.3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

5、密度J与半径r的关系曲线如图3-25所示（图中J0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）。由图可知：13图3-25电涡流密度J与半径r的关系曲线14①电涡流径向形成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ri=0处为零。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的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。152.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，电涡流密度也发生变化，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

6、表面的电涡流强度为(3-46)式中：I1——线圈激励电流；I2——金属导体中等效电流；x——线圈到金属导体表面距离；ras——线圈外径。16图3-26电涡流强度与距离归一化曲线17根据上式作出的归一化曲线如图3-26所示。以上分析表明：①电涡流强度与距离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<<1(一般取0.05～0.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。183.电涡流的轴向贯穿深度所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的

7、径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：(3-47)19式中：d——金属导体中某一点与表面的距离；Jd——沿H1轴向d处的电涡流密度；J0——金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；h——电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。图3-27所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。由前面分析所得的式（3-4