第四章電感式傳感器--2

1、4.3 電渦流式傳感器（互感式） 4.3.1 工作原理 電渦流式傳感器原理圖電渦流式傳感器原理圖（a a） 傳感器激勵線圈傳感器激勵線圈; ; （b b） 被測金屬導(dǎo)體被測金屬導(dǎo)體 1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流 渦流式傳感器是利用金屬導(dǎo)體在交流渦流式傳感器是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的電渦流效應(yīng)。若一金屬板置于一磁場中的電渦流效應(yīng)。若一金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為只線圈的附近，它們之間相互的間距為 ，當(dāng)線圈輸入一交變電流當(dāng)線圈輸入一交變電流i 時，便產(chǎn)生交變時，便產(chǎn)生交變磁通量磁通量，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生

2、感應(yīng)電流感應(yīng)電流i2 2， i2 2在金屬體內(nèi)是閉合的，所在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為電渦流或渦流。渦流的大小與金以稱之為電渦流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 、厚度、厚度h、金屬、金屬板與線圈的距離板與線圈的距離、激勵電流角頻率、激勵電流角頻率等參等參數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測量另一個參數(shù)。的變化測量另一個參數(shù)。1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流 根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正時，線圈

3、周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律，根據(jù)愣次定律， H2的作用將反抗原磁的作用將反抗原磁場場H1，由于磁場，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。變化。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流式中式中, r, r為線圈與被測體

4、的尺寸因子。為線圈與被測體的尺寸因子。 測量方法：測量方法： 如果保持上式中其它參數(shù)如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，不變，而只改變其中一個參數(shù)， 傳感傳感器線圈阻抗器線圈阻抗Z Z就僅僅是這個參數(shù)的單值就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗出阻抗Z Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。的測量。 Z=F(,r,f,x) 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z Z的函數(shù)關(guān)系式為的函數(shù)關(guān)系式為1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流4.3.

5、2 電渦流傳感器的等效電路把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可以認為是一把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為匝短路線圈，其電阻為R1、電感為、電感為L1。這樣線圈與被測導(dǎo)體便可等效為兩個相。這樣線圈與被測導(dǎo)體便可等效為兩個相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距，它隨線圈與導(dǎo)體間距x的減小的減小而增大。而增大。1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流MML L2 2R R2 21U2I1IR R1 1L L1 1根據(jù)基爾霍夫定律，可列

6、出下面的方程：根據(jù)基爾霍夫定律，可列出下面的方程：121111UIMjILjIR012222IMjILjIRMML L2 2R R2 21U2I1IR R1 1L L1 122.1.2LjRIMjI122.1.111)(ULjRIMjMjILjR2222222122222221.12222222211.12211.11. LLRMLjRLRMRULRLjRMLjRULjRMjMjLjRUI122.1.111)(ULjRIMjMjILjR22222222221222222111LRMLLjLRMRRIUZRL等效阻抗等效阻抗等效電阻等效電阻22222222221222222111LRMLLjLR

7、MRRIUZ等效電感等效電感222222221LRMRRR222222221LRMLLL222212222212011)()(ZMRRZMLLQZReZImQ品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)110RLQ無渦流影響時的無渦流影響時的QQ值值222222LRZ短路環(huán)阻抗短路環(huán)阻抗其中其中等效電阻等效電阻等效電感等效電感222222221LRMRRR222222221LRMLLL222212222212011)()(ZMRRZMLLQZReZImQ品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)討論：討論：（2 2）影響因素：）影響因素：L L2 2、R R2 2、L L1 1、R R1 1、ww、MM（3 3）Z Z、L L、QQ值都是值都是M

8、M平方的函數(shù)平方的函數(shù)（1 1）RQ L電渦流形成范圍渦流分布不均勻，其密度是線圈與金屬導(dǎo)體之間距離渦流分布不均勻，其密度是線圈與金屬導(dǎo)體之間距離x x的函數(shù)。渦流只能在的函數(shù)。渦流只能在金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)形成，沿半徑方向也只能在有限的范圍內(nèi)形成。金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)形成，沿半徑方向也只能在有限的范圍內(nèi)形成。（1 1）渦流的徑向形成范圍）渦流的徑向形成范圍渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r r的函數(shù)。當(dāng)?shù)暮瘮?shù)。當(dāng)x x一定時，渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑的一定時，渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑的18

9、2.5182.5倍的范圍內(nèi)，倍的范圍內(nèi)，且分布不均勻；當(dāng)且分布不均勻；當(dāng)r=0r=0時，渦流密度為零，在線圈外半徑附近渦流密度最大。時，渦流密度為零，在線圈外半徑附近渦流密度最大。（2 2）渦流的強度與距離的關(guān)系）渦流的強度與距離的關(guān)系理論分析及實驗證明，當(dāng)線圈與導(dǎo)體間距離理論分析及實驗證明，當(dāng)線圈與導(dǎo)體間距離x x改變時，渦流密度也將發(fā)生變改變時，渦流密度也將發(fā)生變化，化，為線圈半徑的距離為線圈到金屬導(dǎo)體表面為金屬導(dǎo)體中等效電流為線圈激勵電流asasrxIIrxxII21221210.2I2/I1x/ras0.40.60.81.0渦流的強度與距離成非線性關(guān)系，且隨著渦流的強度與距離成非線性關(guān)

10、系，且隨著x/xx/xasas的增加而迅速減??；當(dāng)利用的增加而迅速減?。划?dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/xasas1(一般取一般取0.050.15)的條件下才能的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。得到較好的線性和較高的靈敏度。（3 3）渦流的軸向貫穿深度）渦流的軸向貫穿深度由于金屬導(dǎo)體的集膚效應(yīng)，電磁場不能穿過所有厚度的金屬導(dǎo)體，僅作用由于金屬導(dǎo)體的集膚效應(yīng)，電磁場不能穿過所有厚度的金屬導(dǎo)體，僅作用于導(dǎo)體表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流強度是隨著于導(dǎo)體表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦流強度是隨著導(dǎo)體深度的增加而按照指

11、數(shù)規(guī)律衰減。導(dǎo)體深度的增加而按照指數(shù)規(guī)律衰減。，也稱為集膚深度為渦流軸向貫穿的深度密度為金屬導(dǎo)體表面的渦流處的渦流密度為沿軸向距離表面表面的距離為金屬導(dǎo)體中某一點與t00JdJdeJJdtddJddJ0，也稱為集膚深度為渦流軸向貫穿的深度密度為金屬導(dǎo)體表面的渦流處的渦流密度為沿軸向距離表面表面的距離為金屬導(dǎo)體中某一點與t00JdJdeJJdtdd渦流的強度與距離成非線性關(guān)系，且隨著渦流的強度與距離成非線性關(guān)系，且隨著x/xx/xasas的增加而迅速減?。划?dāng)利用的增加而迅速減??；當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/xasaslMHz(flMHz) )激勵電流

12、激勵電流, ,高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。 高頻反射式電渦流傳感器由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘貼于框架上，或在框架上由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘貼于框架上，或在框架上開一槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為開一槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它是將導(dǎo)型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它是將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)。線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)。 1234561 1 線圈線圈 2 2 框架框架 3 3 襯套襯套4 4 支架支架 5 5 電纜電纜 6 6 插頭插頭結(jié)構(gòu)特點電渦流傳感器是利用傳感器線圈與被測導(dǎo)

13、體之間的電磁耦合進行工作的。電渦流傳感器是利用傳感器線圈與被測導(dǎo)體之間的電磁耦合進行工作的。傳感器的線圈裝置只是實際傳感器的一半傳感器的線圈裝置只是實際傳感器的一半另一半：被測導(dǎo)體另一半：被測導(dǎo)體被測導(dǎo)體的材料物理性質(zhì)、尺寸、形狀與傳感器的特性密切相關(guān)。被測導(dǎo)體的材料物理性質(zhì)、尺寸、形狀與傳感器的特性密切相關(guān)。被測導(dǎo)體的材料對傳感器特性的影響被測導(dǎo)體導(dǎo)電率越高，傳感器的靈敏度越高。被測導(dǎo)體導(dǎo)電率越高，傳感器的靈敏度越高。被測導(dǎo)體磁導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度越低。被測導(dǎo)體磁導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度越低。被測導(dǎo)體的尺寸和形狀對測量的影響渦流區(qū)與線圈幾何尺寸關(guān)系：渦流區(qū)與線圈幾何尺寸關(guān)系：21.392

14、0.525RDrD2R-2R-電渦流區(qū)外徑電渦流區(qū)外徑2r-2r-電渦流區(qū)內(nèi)徑電渦流區(qū)內(nèi)徑D-D-線圈的外徑線圈的外徑被測導(dǎo)體的尺寸和形狀對測量的影響被測物體的厚度不能太薄，一般大于被測物體的厚度不能太薄，一般大于0.2mm0.2mm銅、鋁箔等為銅、鋁箔等為0.07mm0.07mm對厚度的要求還與激勵頻率有關(guān)對厚度的要求還與激勵頻率有關(guān)被測導(dǎo)體表面鍍層對精度的影響鍍層的性質(zhì)和厚度不均勻，在測量移動時，會出現(xiàn)干擾信號，影響測量鍍層的性質(zhì)和厚度不均勻，在測量移動時，會出現(xiàn)干擾信號，影響測量精度精度隨著激勵頻率的升高，電渦流的貫穿深度減小，這種干擾影響更大。隨著激勵頻率的升高，電渦流的貫穿深度減小，

15、這種干擾影響更大。 發(fā)射線圈發(fā)射線圈L L1 1和接收線圈和接收線圈L L2 2分置于被測分置于被測金屬板的上下方。金屬板的上下方。 由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l當(dāng)?shù)皖l( (音頻范圍音頻范圍) )電壓電壓u u1 1加到線圈加到線圈L L1 1的的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板屬板, ,使線圈使線圈L L2 2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電動勢u u2 2。 由于渦流消耗部分磁場能量，使感由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢應(yīng)電動勢u u2 2減少，當(dāng)金屬板越厚時，減少，當(dāng)金屬板越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢損

16、耗的能量越大，輸出電動勢u u2 2越小。越小。 因此，因此，u u2 2的大小與金屬板的厚度及的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)材料的性質(zhì)有關(guān). .試驗表明試驗表明u u2 2隨材料厚隨材料厚度度h h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少的增加按負指數(shù)規(guī)律減少, ,因此，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用u u2 2的變化即可測厚度。的變化即可測厚度。 測量厚度時，激勵頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚測量厚度時，激勵頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利于進行厚度測量，通常選激勵頻率為度，不利于進行厚度測量，通常選激勵頻率為1kHz1kHz左右。左右。 測薄金屬板時，頻率一般應(yīng)略高些，測厚金屬板時，頻率應(yīng)低些。在測薄金屬板時，頻率一般應(yīng)略高些