傳感器第四章電渦流傳感器

1、傳感器第四章電渦流傳感器第1頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日4-1 電渦流式傳感器的工作原理一、基本原理 一個通有交流電流J1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。渦電流 被測導(dǎo)體置于該磁場周圍之內(nèi)，被測導(dǎo)體內(nèi)變會產(chǎn)生電渦流J2，電渦流也將產(chǎn)生一個新的磁場H2。 H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生改變?？棺桦姼衅焚|(zhì)因數(shù)第2頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日二、等效電路分析將渦電流等效為一個短路環(huán)，則等效電路為：由克希霍夫定律，得：式中，R1，L1_為線圈電阻、電感； R2，

2、L2_ 金屬導(dǎo)體的電阻和電感M_互感系數(shù)解：第3頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日記線圈等效阻抗：線圈等效電阻線圈等效電感圈的品質(zhì)因數(shù)：金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦電流環(huán)的阻抗Q0無渦流影響第4頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日（4）由于渦流損耗能量，使線圈阻抗的實數(shù)部分增加，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)值下降(與金屬材料的導(dǎo)磁性無關(guān))。討論（1）阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)都與互感系數(shù)M有關(guān)。M與x為非線性關(guān)系，x ,M ，所以：（2）若被測體為磁性材料，則x減小，有效磁導(dǎo)率增大，于是L1也增大；若被測導(dǎo)體為非磁性材料，有效磁導(dǎo)率與x無關(guān)，于是L1=const.;（3）由于渦電

3、流的存在，使得等效電感L減小，而且，x減小，L也減小越多 ；第5頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日一、電渦流與軸向距離的關(guān)系 由線圈導(dǎo)體的電磁作用，可得導(dǎo)體中電渦流為：4-2電渦流形成的范圍電渦流不僅是距離x的函數(shù)，而且只在被測導(dǎo)體的表面薄層及半徑的有限范圍內(nèi)形成。第6頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日1、電渦流隨軸向距離x的增加而迅速減??；即：討論2、為了獲得較強的電渦流效應(yīng)，應(yīng)保證：一般：第7頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日一種簡化的模型如圖。導(dǎo)體假設(shè)只有一個環(huán)，而環(huán)中的電渦流密度（電流/單位面積）是半徑的函數(shù)：二、

4、渦電流的徑向形成范圍被測金屬線圈外半徑線圈內(nèi)半徑線圈結(jié)論第8頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日討論1、當 時，即在線圈外徑處，電渦流密度最大（jo)；2、在線圈的軸線附近，電渦流非常小，可以設(shè)想為一個孔，這個孔的孔徑為 ；3、當 （稱“有效外徑”時，電流密度衰減到最大值的5）第9頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日金屬表面渦流密度（即最大電流密度）；趨膚深度（軸向貫穿深度）；在距離導(dǎo)體表面x=t處，該處渦流密度為：三、電渦流的軸向貫穿深度由于“趨膚效應(yīng)”，渦流密度在金屬導(dǎo)體中的軸向分布按指數(shù)規(guī)律衰減：金屬導(dǎo)體中某點距離金屬表面x的電渦流密度；“趨膚

5、效應(yīng)”(集膚效應(yīng)）交流電通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用，引起導(dǎo)體截面積上電流分布不均勻；越近導(dǎo)體表面，電流密度越大。則該深度即為趨膚深度（或軸向貫穿深度）。第10頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日貫穿深度值可由下式計算：導(dǎo)體電阻率；相對磁導(dǎo)率；激勵頻率（1）貫穿深度與被測體的材料有關(guān)；（2）當被測導(dǎo)體材料一定時。軸向貫穿深度是激勵頻率的函數(shù)。頻率越高，趨膚深度越小。討論(cm)第11頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日4-3 電渦流傳感器的設(shè)計一、線圈的形狀和大小在線圈中，取單匝載流圓導(dǎo)線，在其軸上的磁感應(yīng)強度：畢奧沙法拉普拉斯定律bsrosdrrisB

6、pxrx傳感器線圈在軸上的磁感應(yīng)強度rdxp第12頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日討論半徑較小處（r）,則越接近（線圈）導(dǎo)線（x ） ，磁感應(yīng)強度越大（Bp）；而在遠離（線圈）導(dǎo)線的地方（x ）,則半徑大的地方（r ） ，磁感應(yīng)強度大（Bp） 。K=36*10-10（激勵電流不變）第13頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日考慮扁平導(dǎo)線，單位面積上的電流密度：取通過截面積為dxdr處的圓形電流：此電流在軸上x處所產(chǎn)生的磁感應(yīng)為：則，整個載流扁平線圈在x處所產(chǎn)生的總的磁感應(yīng)強度：第14頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日1、線圈

7、外徑越大，線圈的磁場軸向分布范圍（即線性范圍）越大，但是磁感應(yīng)強度的變化的梯度（即靈敏度）越??；反之亦然。2、線圈內(nèi)徑的變化對線性范圍和靈敏度影響不大。3、線圈厚度的變化對線性范圍和靈敏度影響不大。討論線圈外徑影響線圈內(nèi)徑影響線圈厚度影響第15頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日44被測體材料形狀和大小的影響一、被測體材料的影響被測體材料傳感器線圈的阻抗靈敏度1、被測體電導(dǎo)率線圈等效阻抗 電渦流 靈敏度 2、非磁性體比磁性體的測量靈敏度高： 即磁性材料靈敏度低。渦流效應(yīng)引起變化 L線圈的等效電感3、若被測體表面有鍍層且不均勻， 則當激勵頻率 使趨膚深度 ，干擾影響強烈。

8、A第16頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日二、被測體大小形狀的影響為了充分地有效利用電渦流效應(yīng)，被測體的大小、形狀應(yīng)不影響電渦流形成的有效范圍。否則靈敏度下降。(1)被測體的面積要求線圈面積圓柱體被測體直徑線圈直徑的3.5倍以上。(2)厚度要求0.2mm 第17頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日三、被測體周圍磁場對測量的影響(2)測量非磁性材料時，周圍的磁場對測量無影響。(3)而測量磁性材料時，周圍的磁場若方向，則對測量有影響。(1)傳感器線圈周圍，除被測導(dǎo)體外，應(yīng)盡可能避開其他導(dǎo)體。有影響無影響第18頁，共34頁，2022年，5月20日，16點

9、47分，星期日四、傳感器安裝對測量的安裝傳感器線圈（未加屏蔽時）與非被測金屬之間，至少需要相距一個線圈的直徑大小傳感器殼體（非被測金屬）被測體第19頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日一、電橋電路（阻抗變換電路）兩個傳感器線圈當被測體與線圈耦合時 ，電橋失衡 經(jīng)放大橋波輸出 45 測量電路用于差動式電渦流傳感器如圖兩個渦電流傳感器組成差動結(jié)構(gòu)L1L2第20頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日二、諧振法：諧振頻率諧振時，回路的阻抗最大：將線圈電感與固定電容并聯(lián)成諧振電路。RR回路的等效損耗電阻當電感L發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率也發(fā)生變化?？梢?/p>

10、通過測量回路中阻抗或諧振頻率的方法即可以間接反映傳感器的測量值；測量方法：調(diào)幅法和調(diào)頻法。第21頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日第22頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日第23頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日46 其它形式的電渦流傳感器u1u2L1L2h低頻電渦流測厚儀發(fā)射線圈接收線圈原理：接收線圈L2上的感應(yīng)電動勢大小u2與被測材料的厚度h按負指數(shù)冪規(guī)律減小t1t2t3t1t2t3u2h第24頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日47 電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器的外形：第25頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日電渦流傳感器的特性：第26頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日電渦流傳感器的應(yīng)用：第27頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日第28頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日第29頁，共34頁，2022年，5月20日，16點47分，星期日第