《电涡流式传感器》PPT课件

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1、第五章电涡流式传感器在电路中，我们学过：当导体处于交变磁场中时，铁心会因电磁感应而在内部产生自行闭合的电涡流而发热。因而，为了减小电涡流，避免发热，变压器和交流电动机的铁心都是用硅钢片叠制成的。生产生活中也可以利用电涡流做有用的工作，比如电磁炉、中频炉、高频淬火等都是利用电涡流原理而工作的。电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。1.工作原理金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，电流就像水中的漩涡一样在导体内转圈，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。如图3-35.a)b)图3-35涡流式传感器基本原理图一个通有交变电流I1的传感器线圈，由于电流的变化，在线

2、圈周围就产生一个交变磁场H1，当被测金属置于该磁场范围内，金属导体内便产生涡流I2，涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量L、阻抗Z和品质因数Q发生变化。线圈与金属导体之间存在磁性联系。涡流效应的特性：由于涡流效应在金属导体内产生电涡流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。电涡流具有集肤效应，它与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率越高，电涡流的渗透深度就越浅，集肤效应就越严重。由于存在集肤效应，电涡流方法只能检测导体表面的各种物理参量。改变频率f，可控制检测深度。激励

3、源频率一般为100kHz~1MHz.为了使电涡流深入金属导体深处，或对距离较远的金属体进行检测，可采用十几千赫甚至几百赫兹的低频激励频率。a)b)涡流式传感器基本原理图2.等效电路及其分析把导体形象地看作一个短路线圈，那么线圈与导体间的关系可用图3-35b)所示的电路来表示。根据基尔霍夫定律，可列出电路方程组为（3-41）解此方程组，得传感器工作时的等效阻抗为（3-42）等效电阻、等效电感分别为（3-43）（3-44）线圈的品质因数为（3-45）可以看出，当被测参数变化，既能引起线圈阻抗Z变化，也能引起线圈电感L和线圈品质因数Q值变化。而这些参数的变化量的大小与导体的电阻率ρ、磁导率

4、μ和线圈与导体的距离x以及线圈激励电流的角频率和导体的表面因素r等参数有关，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈组抗是这些参数的函数，可写成Z=f（ρ、μ、x、r、ω）控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。例如被测材料的情况不变，激励电流的角频率不变，则阻抗Z就成为距离x的单值函数。利用此原理便可制成涡流位移传感器。涡流位移传感器原理：实验证明，当距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。线圈的感抗XL的变化比R的变化快，则涡流线圈的阻抗是减小的，线圈中的电流i1是增大的。反之，则i1减小。而且由于线

5、圈的品质因数Q（Q=XL/R=L/R)与等效电感成正比，与等效电阻成反比，所以当电涡流增大时，Q下降很多。利用此原理可以制作多种电涡流传感器，如位移测量、转速测量、接近开关等。3、电涡流式传感器的结构电涡流式传感器主要是一个绕制在框架上的绕组,常用的是矩形截面的扁平绕组。导线选用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包线，银线或银合金线。框架要求采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，一般选用聚四氟乙烯、高频陶瓷等。以CZF型涡流传感器为例，如图3-40所示。图3-40CZF型涡流式传感器的结构图这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的，并利用其耦合程度的变化作为测量值，无论是被测体

6、的物理性质，还是它的尺寸和形状都与测量装置的特性有关。作为传感器的测量装置的线圈仅为实际传感器的一半，而另一半是被测体。CZF型传感器的性能见表3-1。4、测量转换电路电涡流探头与被测物之间的互感量变化可以转换为传感器线圈阻抗Z和品质因数Q等参数的变化。转换电路的作用是把这些参数转换为电压或电流的输出。（1）电桥电路图3-41电桥电路原理图电桥电路中线圈L1、L2为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。振荡器提供电源，振荡频率根据需要选择。当线圈阻抗变化时，电桥失去平衡。不平衡输出经线性放大和检波，得到输出。图3-42高频调幅式测量转换电路调幅式是以输出高

7、频信号的幅度来反映电涡流探头与被测导体之间的关系。图3-42是高频调幅式电路。（2）调幅式电路石英晶体振荡器通过耦合电阻R，向由探头线圈和一个微调电容C0组成的并联谐振回路提供一个稳幅的高频激励信号，相当于一个恒流源。测量时，先调节C0，使LC0的谐振频率等于石英晶体振荡器的频率f0，此时谐振回路的Q值和阻抗Z也最大，恒定电流Ii在LC0并联谐振回路上的压降U0也最大。当被测体为非磁性金属时，物体接近探头时，由于涡流效应，线圈的等效电感L减小，并引起线圈品