第4章電感式3電渦流

4.3電渦流式傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體至于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生成漩渦狀的感應(yīng)電流，此電流稱為電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流現(xiàn)象。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流存在趨膚效應(yīng)，即渦流滲透的深度與傳感器激勵電流的頻率有關(guān)。根據(jù)電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的滲透情況，電渦流傳感器分為：高頻反射式低頻投射式

4.3.1工作原理傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。

根據(jù)愣次定律，H2的作用將阻礙原磁場H1的變化。由于磁場H2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)生變化。

由上可知，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)。電渦流效應(yīng)既與被測體的ρ、μ以及幾何形狀有關(guān)，

還與激磁線圈的幾何參數(shù)、激磁線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，同時還與激磁線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：

Z=F(ρ,μ,r,f,x)r為激磁線圈與被測體的尺寸因子。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)，傳感器線圈阻抗Z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出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。4.3.2基本特性

電渦流式傳感器簡化模型

在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流可等效為一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)。

電渦流的軸向貫穿深度h

貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的1/e（0.37）處的表面厚度。

f為線圈激磁電流的頻率。

電渦流式傳感器簡化模型

電渦流的等效電路圖。

R2為電渦流短路環(huán)等效電阻

電渦流式傳感器簡化模型

根據(jù)基爾霍夫第二定律ω——線圈激磁電流角頻率；R1——線圈電阻；L1——線圈電感；L2——短路環(huán)等效電感；R2——短路環(huán)等效電阻；M——互感系數(shù)。

等效阻抗Z為

Req—線圈受電渦流影響后的等效電阻

線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為

4.3.3電渦流形成范圍1.電渦流的徑向形成范圍線圈與導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖4-25所示。電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。

Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。①電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

②電渦流密度在ri=0處為零。③電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。④可以用一個平均半徑為 的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

2.電渦流強度與距離的關(guān)系當(dāng)x改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離x的變化而變化。

金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度I1——線圈激勵電流；I2——金屬導(dǎo)體中等效電流；x——線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；ras——線圈外徑。

電渦流強度與距離歸一化曲線

金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度

①電渦流強度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。②當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。

金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度電渦流強度與距離歸一化曲線

3.電渦流的軸向貫穿深度

貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的1/e處的表面厚度。由于金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，電磁場不能穿過導(dǎo)體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)。

導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。d——金屬導(dǎo)體中某一點與表面的距離；

Jd——沿H1軸向d處的電渦流密度；J0——金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；h——電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。

電渦流密度軸向分布曲線

電渦流密度主要分布在表面附近。

被測體電阻率愈大，相對導(dǎo)磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則h愈大。

4.3.4電渦流傳感器測量電路測量電路的種類：調(diào)頻式調(diào)幅式。

1.調(diào)頻式電路調(diào)頻式測量電路(a)測量電路框圖；(b)振蕩電路

傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化。將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x)。該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f—V變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。

振蕩器電路如圖(b)所示。它由克拉潑電容三點式振蕩器(C2、C3、L、C和Ｖ1)以及射極輸出電路兩部分組成。

為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。

此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。

2.調(diào)幅式電路調(diào)幅式測量電路示意圖

傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成振蕩電路。

石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io。

LC回路輸出電壓

Z為LC回路的阻抗。

調(diào)幅式測量電路示意圖

當(dāng)金屬導(dǎo)體遠離或去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧。

從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。輸出電壓經(jīng)放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。除此之外，交流電橋也是常用的測量電路。

4.3.5渦流式傳感器的應(yīng)用1.低頻透射式渦流厚度傳感器2.高頻反射式渦流厚度傳感器3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器1.低頻透射式渦流厚度傳感器透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

在被測金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時，L1上產(chǎn)生交變磁通φ1，

若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。

將被測金屬板放入兩線圈之間，L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流,并將貫穿金屬板。此時磁場能量受到損耗，使到達L2的磁通將減弱為φ1′，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。

金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達1～100mm，分辨率為0.1μm，線性度為1%。2.高頻反射式渦流厚度傳感器

高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖

為了克服帶材不夠平整或運行過程中上下波動的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)。

兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測帶材厚度改變量為Δδ，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個Δδ，兩傳感器輸出電壓此時為2Uo±ΔU。

ΔU經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖

在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+Δd。

由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨Δd的變化而變化，從而導(dǎo)致振蕩回路的Q發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號。

該