电涡流传感器

1. 位移测量
3. 厚度测量
δ = x − ( x1 + x 2 )
4. 转速测量
f n = 60 N
5. 涡流探伤
电涡流式传感器可以对被测对象进行非破坏性的探 伤，在检查时，使传感器与被测体的距离不变，如有裂纹 在检查时，使传感器与被测体的距离不变， 出现时，导体电阻率、磁导率发生变化， 出现时，导体电阻率、磁导率发生变化，从而引起传感器 的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤的目的。 的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤的目的。
当传感器接近被测金属导体时，线圈等效电感 发生变化 发生变化， 当传感器接近被测金属导体时，线圈等效电感L发生变化，回 路阻抗Z 和谐振频率f将随着 的变化而变化， 将随着L的变化而变化 路阻抗 0和谐振频率 将随着 的变化而变化，因此可以通过测 量阻抗Z0和频率f来测量电感的变化，相应的就是调幅法和调 量阻抗 和频率 来测量电感的变化，相应的就是调幅法和 来测量电感的变化 调幅法 频法。 频法。
2) 调频法 传感器线圈作为组成LC 传感器线圈作为组成LC 振荡器的电感元件， 振荡器的电感元件，当传感 发生变化时， 器的等效电感L发生变化时， 引起振荡器的振荡频率变化， 引起振荡器的振荡频率变化， 该频率可直接由数字频率计 测得，或通过频率/ 测得，或通过频率/电压转换 后用数字电压表测量出对应 的电压。 的电压。 调频电路原理图
解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为 & U1 ω 2M 2 ω 2M 2 Z= = R1 + R2 2 + jω[ L1 − L2 2 ] 2 2 2 2 & I1 R2 + ω L2 R2 + ω L2 电涡流传感器的等效阻抗可表示为 Z = R + jω L 等效电阻 等效电感
ω 2M 2 R = R1 + R2 2 R2 + ω 2 L2 2
传感器线圈
被测导体
感应磁场变化
线圈等效阻抗变化
2.等效电路： 2.等效电路： 等效电路
根据等效电路， 根据等效电路，可列出电路方程组为
& & & R1 I1 + jω L1 I1 − jω MI 2 = U1 & & & & R2 I 2 + jω L2 I 2 − jω MI1 = 0
灵敏度的定义是__________ __________。 8. 灵敏度的定义是__________。 应变片温度误差产生的原因___________ ___________和 9. 应变片温度误差产生的原因___________和___________ 10.半导体材料在沿某一轴向受外力作用时， 10.半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变 半导体材料在沿某一轴向受外力作用时 化的现象称为_________。 化的现象称为_________。 _________ 二、简答题 1. 高频反射式电涡流传感器的基本原理是什么？ 高频反射式电涡流传感器的基本原理是什么？ 2. 电容式荷重传感器的工作原理是什么？ 电容式荷重传感器的工作原理是什么？ 3. 什么是金属的电阻应变效应？利用应变效应解释金属电阻应 什么是金属的电阻应变效应？ 变片的工作原理。 变片的工作原理。
6. 计数
探雷
安检
安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有 金属物体通过时， 金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产 生电涡流，会使接收线圈中的感应电压变化， 生电涡流，会使接收线圈中的感应电压变化，报警器 就会报警。 就会报警。
小测试 一、填空题： 填空题： 通常传感器有___________元件和__________元件组成。 ___________元件和__________元件组成 1. 通常传感器有___________元件和__________元件组成。 2. 电容式传感器可分为___________、___________和___________ 电容式传感器可分为___________、___________和 ___________ 三种基本类型。 三种基本类型。 3. 电感式传感器可分为___________、___________和___________ 电感式传感器可分为___________、___________和 ___________ 三种基本类型。 三种基本类型。 4. 电容式传感器是将被测非电量转换成_________变化的装置。 电容式传感器是将被测非电量转换成_________变化的装置。 _________变化的装置 按照电涡流在导体内的贯穿深度， 5. 按照电涡流在导体内的贯穿深度，电涡流传感器分为 ___________和___________。 ___________和___________。 电涡流传感器最大特点是__________ __________。 6. 电涡流传感器最大特点是__________。 电阻式传感器是将被测的非电量转换成敏感元件的_______变化， _______变化 7. 电阻式传感器是将被测的非电量转换成敏感元件的_______变化， 进而转换为相应的电信号输出。 进而转换为相应的电信号输出。
& 下降。被测金属板的厚度越大，涡流损耗也越大， 电动势 E下降。被测金属板的厚度越大，涡流损耗也越大，感 & 就越小。 应电动势 E 就越小。感应电动势的大小间接反映了被测金属板
的厚度。 的厚度。
& = kU e − d / h & E 1
式中 d－金属板的厚度； －金属板的厚度； h－涡流贯穿深度 － k－比例常数 －
1. 电桥电路
•电桥将传感器线圈的阻抗变化转换成电压幅值的变化 电桥将传感器线圈的阻抗变化转换成电压幅值的变化 主要用于差动式电涡流传感器
2. 谐振电路 并联谐振回路。 这种电路是把传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。 谐振频率: 谐振频率:
f0 =
回路阻抗： 回路阻抗：
1 2π LC
j ωL Z0 = 1 − ω0 = i0 z 0 = i 0 1 − ω 2 LC
调幅法测量电路 当传感器接近被测金属导体时，线圈电感 发生变化 发生变化， 当传感器接近被测金属导体时，线圈电感L发生变化，谐振回路 的等效阻抗Z将随着 的变化而变化，相应的输出电压也变化。 将随着L的变化而变化 的等效阻抗 将随着 的变化而变化，相应的输出电压也变化。
c R2 a R3 d R4 R1 b U0
E ∆R U0 ≈ − 2 R
E
贯穿深度： 贯穿深度：
ρ h= µ 0 µ r πf
高频反射式电涡流传感 器 电涡流式传感器 低频透射式电涡流传感 器
3.3.2 高频反射式电涡流传感器 1.工作原理：根据电磁感应定律, 1.工作原理：根据电磁感应定律, 工作原理 & 当传感器线圈通以交变电流 I 1 时, 线圈周围必然产生交变磁 场 H 1 , 使置于此磁场中的金属导 & & 体中产生感应电涡流 I 2 , I 2 又产 生新的交变磁场 H 2 。 根据愣次 定律， 定律， 2 将反抗原磁场 H 1 的变 H 导致传感器线圈的等效阻抗 化，导致传感器线圈的等效阻抗 或等效电感）发生变化。 （或等效电感）发生变化 工作过程： 工作过程：被测导体变化 电涡流变化
三、计算题 如图所示电路是电阻应变计中所用的不平衡电桥的简化电路， 如图所示电路是电阻应变计中所用的不平衡电桥的简化电路， 图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉， 图中 是固定电阻， 是电阻应变片，工作时 受拉， 是固定电阻 R4受压，∆R表示应变片发生应变后电阻值的变化量。当应变片不 受压， 表示应变片发生应变后电阻值的变化量 表示应变片发生应变后电阻值的变化量。 受力，无应变时∆R=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应 受力，无应变时 ，桥路处于平衡状态， 变时，桥路失去平衡，输出电压U 试证明： 变时，桥路失去平衡，输出电压 0。试证明：
3.3.4
测量电路
根据电涡流测量的基本原理， 根据电涡流测量的基本原理，传感器线圈与被测金属 导体间距离的变化可以转化为传感器线圈的等效阻抗Z 导体间距离的变化可以转化为传感器线圈的等效阻抗Z或等 效电感L的变化。 效电感L的变化。测量电路的任务是把这些参数的变化转换 为电压或频率的变化，常采用下列电路： 为电压或频率的变化，常采用下列电路： 电桥电路 谐振电路 调幅 调频
3.结构： 3.结构： 结构
传感器的结构示意图
1—线圈； 2—框架； 3—框架衬套； 4—支架； 5—电缆； 6—插头
3.3.3 低频透射式电涡流传感器 工作原理： 工作原理： 透射式涡流传感器由发射线圈 L1 ，接受线圈L2 ，和位于两线圈 接受线圈 中间的被测金属板组成。 中间的被测金属板组成。
ω 2M 2 L = L1 − L2 2 R2 + ω 2 L2 2
Z = F (ρ, µ, r , f , x)
由此可见， 由此可见，被测量变化可以转换成传感器线圈的等 效阻抗Z 等效电感L的变化。 效阻抗Z、等效电感L的变化。通过转换电路可把这 些参数转换为电压或电流输出。 些参数转换为电压或电流输出。
若两个线圈之间不存在金属 当在L 板，当在L1 两端加交流激 励电压 U 时，L2两端将产 & 1 & 生感应电动势 E 。
若在两个线圈之间放置一块金属板时，金属板中产生涡流， 若在两个线圈之间放置一块金属板时，金属板中产生涡流， 涡流损耗了部分磁场能量，使到达 的磁场变弱， 涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁场变弱，从而使感应
3.3.5
电涡流式传感器应用举例 电涡流式传感器由于具有测量范围大，灵敏度高， 电涡流式传感器由于具有测量范围大，灵敏度高，
结构简单，抗干扰能力强，可以实现非接触式测量等 结构简单，抗干扰能力强，可以实现非接触式测量等 非接触式 优点， 优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领 可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、 域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀 系数、轴心轨迹和金属件探伤等。 系数、轴心轨迹和金属件探伤等。