电涡流传感器
电涡流传感器的工作原理
电涡流传感器的工作原理
电涡流传感器是一种非接触式的测量传感器，它利用电涡流效应来检测目标物体的位置、形状和材料特性。
其工作原理如下：
1. 电涡流效应：当一个导体材料处于磁场中，通过导体的磁感应线圈，会形成一个环流在导体中流动。
这种环流被称为电涡流。
电涡流会在导体内部产生电阻，导致能量损失和热量产生。
2. 磁场感应：电涡流传感器通过磁感应线圈产生一个交变磁场。
当材料靠近传感器时，磁场感应到目标物体，并且导致目标物体内部也产生电涡流。
3. 电涡流的影响：目标物体产生的电涡流会改变传感器线圈的电感值和电阻值，从而影响传感器的输出信号。
这种改变与目标物体的特性（如电导率、导电材料的尺寸和形状等）相关。
4. 信号检测：传感器将输出信号传递给信号处理器，通过测量电感和电阻的变化来确定目标物体的位置、形状和材料特性。
总的来说，电涡流传感器通过感应目标物体内部的电涡流来检测目标物体的特性。
通过分析和处理传感器输出的信号，可以实现对目标物体的测量。
电涡流传感器(位移)
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1 电涡流式传感器原理
电涡流探头结构
1—电涡流线圈 2—探头壳体 3—壳体上的位置调节螺纹 4—印制线路 板 5—夹持螺母 6—电源指示灯 7—阈值指示灯 8—输出屏蔽电缆线 9—电缆插头
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2 电涡流传感器测量电路
电桥测量电路 在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥 失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波， 就可得到与被测量成正比的输出。 谐振法 谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调 幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调 频式结构简单，便于遥测和数字显示。
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1 电涡流式传感器原理
高频反射电涡流传感器等效电路
R
M
R
1
U
·
1
I
·
1
I
L
1
·
2
L
2
Z1=R+jωL1 RI1+jωL1I1-jωMI2=U1 -jωMI1+R1I2+jωL2I2=0
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1 电涡流式传感器原理
传感器线圈的等效阻抗
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1 电涡流式传感器原理
电涡流传感器分类 涡流传感器在金属体上产生的电涡流， 涡流传感器在金属体上产生的电涡流，其渗透深度从传感器线圈自身 原因来讲主要与励磁电流的频率有关， 原因来讲主要与励磁电流的频率有关，所以涡流传感器主要可分高频 反射的低频投射两类。 反射的低频投射两类。
电涡 传感 （
电涡流传感器详解
电涡流传感器详解电涡流传感器详解一、电涡流传感器的基本类型分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。
激励频率的选择原则为：待测导体的厚度大，应选择较低的激励频率以保证线性度，反之则使用较高激励频率以提高灵敏度。
二、电涡流传感器的典型应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。
对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。
胀差测量斜坡式胀差测量补偿式胀差测量双斜面胀差测量振动测量轴位移测量轴心轨迹测量差动测量动力膨胀转子动平径向运动分析转速和相位差测试转速测量表面不平整度测量裂痕测量非导电材料厚度测量金属元件合格检测轴承测量换向片测量1、相对振动测量测量径向振动，可以由它分析轴承的工作状态，还可以看到分析转子的不平衡，不对中等机械故障。
电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需要的信息：●工业透平，蒸汽/燃气●压缩机，径向/轴向●膨胀机●动力发电透平，蒸汽/燃气/水利●发动马达●发动机●励磁机●齿轮箱●泵●风箱●鼓风机●往复式机械（1）相对振动测量（小型机械）振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。
电涡流传感器系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息：●轴的同步振动●油膜失稳●转子摩擦●部件松动●轴承套筒松动●压缩机踹振●滚动部件轴承失效●径向预载，内部/外部包括不对中●轴承巴氏合金磨损●轴承间隙过大，径向/轴向●平衡（阻气）活塞●联轴器“锁死”磨损/失效●轴裂纹●轴弯曲●齿轮咬合问题●电动马达空气间隙不匀●叶轮通过现象●透平叶片通道共振（2）偏心测量偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量，这些弯曲可由下列情况引起：●原有的机械弯曲●临时温升导致的弯曲●重力弯曲●外力造成的弯曲偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。
传感器6(2)电涡流式
等效电感为： 等效Q值为：
电涡流式传感器
由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减 小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗变为Z，常称其 变化部分为“反射阻抗”。
式中 Q0 L1 / R1 ——无涡流影响时线圈的Q值； 2 Z 2 R2 2 L2 ——短路环的阻抗。 2 Q值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和 距离直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还有 磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线 圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率的变化将影响L。
2
形成涡流条件
存在交变磁场
导电体处于交 变磁场中
电涡流式传感器
6.3.1.2 高频反射电涡流式传感器的工作原理
传感线圈由高频电压激励，产生 高频交变磁场 ， i在被测体平 i 面上产生电涡流 ie 。根据电磁感 应定律，电涡流对 i起去磁作 用，以阻止其变化。图中 表示 e 由电涡流 ie产生的磁场，因而与 M i 反向。显然传感器线圈与被 测体之间的距离d越小，电涡流 效应越强，从而把非电量d转换 为电量，以实现位移量的测量。
E
通过解方程组，可得I1、I2。
电涡流式传感器
解方程得到传感器的等效阻抗
2M 2 2M 2 Z R1 R2 2 j L1 L2 2 2 2 R2 (L2 ) R2 (L2 )
等效电阻为：
2M 2 R R1 R2 2 2 R2 2 L2
6.3.3 电涡流式传感器的应用
电涡流式传感器
电涡流式传感器
电涡流传感器
电涡流式传感器
• 高频反射式涡流厚度传感器
4电涡流传感器详解
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鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
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鉴频器的输出电压与输入频率成正比
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鉴频器在调频式电路中的应用
设电路参数如上页， 计算电涡流线圈未接近 金属时的鉴频器输出电 压Uo0 ；若电涡流线圈靠 近金属后，电涡流探头
的输出频率f 上升为
500kHz，f 为多少？输 出电压Uo又为多少？
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CZF-1系列传感器的性能
分析上表请得出结论：
探头的直径与测量范围及分辨力之间 有何关系？
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大直径电涡流探雷器
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第三节 测量转换电路
一、调幅式（AM）电路
石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz） 用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引
当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流 线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出 频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模
拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转 换为电压Uo 。
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并联谐振回路的谐振频率
f 1
2 LC0
4-3
设电涡流线圈的电感量L=0.8mH， 微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f 。
高频电 流通过励磁 线圈，产生 交变磁场， 在铁质锅底 会产生无数 的电涡流， 使锅底自行 发热，烧开 锅内的食 物。
8
第二节 电涡流传感器结构及特性
交变磁场
电涡流探头外形
电涡流探头内部结构
1—电涡流线圈 2—探头壳体 3—壳体上的位置调节螺纹 4—印制线路板 5—夹持螺母 6—电源指示灯
第六讲-电涡流传感器
值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，均
可通过测量线圈的等效电阻R、等效电感L、等效阻抗 Z及等效品质因数Q来测量。
三、等效阻抗分析
R
M
R1
I1 U1 L1
I 2
L2
传感器线圈的等效阻抗为：
.
Z
U1
.
I
R
2M 2
R12 L12
R1
导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改 变轴向贯穿深度。电阻率大的材料应选用较高的励磁 频率，电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。从而 保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。
2、电涡流的径向形成范围
线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围，电涡流 密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近,涡流的密度 非常小，愈靠近线圈的外径处，涡流的密度愈大，而在等于线 圈外径1.8倍处,涡流将衰减到最大值的5％。为了充分利用涡 流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.8倍； 而当被测物体为圆柱体时，它的直径应大于线圈外径的3.5倍。
此时磁场能量受到损耗, 到达L2的磁通将减弱为 , 1 从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚, 涡流损失 就越大, U2电压就越小。因此, 可根据U2电压的大小得知 被测金属板的厚度, 透射式涡流厚度传感器检测范围可达 1～100mm, 分辨率为0.1μm, 线性度为 1%。
五、电涡流传感器的测量电路
鉴频器特性
使用 鉴频器可
以将f
转换为电
压Uo
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
六、电涡流传感器的使用注意事项
1、电涡流轴向贯穿深度的影响
涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的
第4章6电涡流传感器
2. 低频透射式电涡流传感器
发射线圈 L1 和接收线圈 L2 分置于被测金属板 的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深， 当低频电压 u1 加到线圈 L1 的两端后，所产生磁 力线的一部分透过金属板,使线圈 L2产生感应电 动势 u2 。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感 应电动势u2减少。
u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关， 试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减 少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2
电涡流将产生交变磁场H2，其方向与激励磁
场方向相反，由于磁场H2的反作用使导电 线圈的有效阻抗(电感)发生变化。
电涡流传感器的等效电路
把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中 的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电 阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等 效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一 个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。
高频反射式涡流传感器多用于位移测量。
CZF1型涡流传感器 主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此 线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导 线绕在槽内。
1
2 3 4
1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头
5
6
～
M
Φｉ
Φe
dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ie 电涡流传感器原理图
高频反射式电涡流传感器工作原理： 当被测金属物体与传感器间的距离d 改变时， 传感器的Q 值和等效阻抗Z、电感L 均发生变化， 于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器 的基本原理。 可以测量位移、或作为接近开关。
2、生产线工件的计数
3、机械手的限位
作业
教材第78页，17题
电涡流传感器详解
电涡流传感器详解一、电涡流传感器的基本类型分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。
激励频率的选择原则为：待测导体的厚度大，应选择较低的激励频率以保证线性度，反之则使用较高激励频率以提高灵敏度。
二、电涡流传感器的典型应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。
对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。
胀差测量斜坡式胀差测量补偿式胀差测量双斜面胀差测量振动测量轴位移测量轴心轨迹测量差动测量动力膨胀转子动平径向运动分析转速和相位差测试转速测量表面不平整度测量裂痕测量非导电材料厚度测量金属元件合格检测轴承测量换向片测量1、相对振动测量测量径向振动，可以由它分析轴承的工作状态，还可以看到分析转子的不平衡，不对中等机械故障。
电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需要的信息：●工业透平，蒸汽/燃气●压缩机，径向/轴向●膨胀机●动力发电透平，蒸汽/燃气/水利●发动马达●发动机●励磁机●齿轮箱●泵●风箱●鼓风机●往复式机械（1）相对振动测量（小型机械）振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。
电涡流传感器系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息：●轴的同步振动●油膜失稳●转子摩擦●部件松动●轴承套筒松动●压缩机踹振●滚动部件轴承失效●径向预载，内部/外部包括不对中●轴承巴氏合金磨损●轴承间隙过大，径向/轴向●平衡（阻气）活塞●联轴器“锁死”磨损/失效●轴裂纹●轴弯曲●齿轮咬合问题●电动马达空气间隙不匀●叶轮通过现象●透平叶片通道共振（2）偏心测量偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量，这些弯曲可由下列情况引起：●原有的机械弯曲●临时温升导致的弯曲●重力弯曲●外力造成的弯曲偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。
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