电涡流式传感器电涡流式传感器
电涡流式传感器电涡流式传感器
电涡流式传感器
电涡流式传感器
eddycurrenttypetransducer
利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。
电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。
电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。
这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。
如果使上述参量中的某一个变动,其余皆不变，就可制成各种用途的传感器,能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。
这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等。
它是一种很有发展前途的传感器。
电涡流式传感器按用途可分为测量位移、接近度和厚度的传感器；按结构可分为变间隙型、变面积型、螺管型和低频透射型4类。
变间隙型 这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。
当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻。
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 （
第五章--电涡流式传感器
（2）调幅式电路 调幅式是以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头 与被测导体之间的关系。图3-42是高频调幅式电路。
Ui R
U0
晶振
Ii L x
高频放大
幅值检波
U0
低频放大
U0
C0
图3-42 高频调幅式测量转换电路
石英晶体振荡器通过耦合电阻R，向由探头线 圈和一个微调电容C0组成的并联谐振回路提 供一个稳幅的高频激励信号，相当于一个恒 流源。测量时，先调节C0，使LC0的谐振频率 等于石英晶体振荡器的频率f0，此时谐振回路 的Q值和阻抗Z也最大，恒定电流Ii在LC0并联 谐振回路上的压降U0也最大。
TTL电平
L0 L LC x0 x 振 C0 荡 L
器
f 0 f
高 频 放 大 器
U 0 U
限 幅 器 鉴 频 器
功 率 放 大 器
计算机计数 定时器 显示器 记录仪
图3-43调频式测量转换电路原理图
TTL电平
L0 L LC x0 x 振 C0 荡 L
器
f 0 f
由于存在集肤效应，电涡流方法只能检测导 体表面的各种物理参量。改变频率f，可控制 检测深度。激励源频率一般为100kHz~1MHz. 为了使电涡流深入金属导体深处，或对距离 较远的金属体进行检测，可采用十几千赫甚 至几百赫兹的低频激励频率。
电涡流式传感器测速原理
电涡流式传感器测速原理一、引言电涡流式传感器是一种常用于测速的传感器，它通过利用涡流的产生和感应原理，实现对物体运动速度的测量。
本文将详细介绍电涡流式传感器的原理、工作过程以及在测速领域的应用。
二、电涡流效应电涡流是一种由交变磁场引起的涡旋电流，它会在导体内部产生感应电流。
当导体相对于磁场运动时，磁场变化会导致涡流的产生，涡流进一步产生与之反向的磁场，从而减弱原始磁场。
这种现象被称为电涡流效应。
三、电涡流式传感器的结构电涡流式传感器通常由激励线圈和接收线圈组成。
激励线圈产生一个变化的磁场，而接收线圈用于检测涡流的感应信号。
当被测物体在传感器附近运动时，它会影响激励磁场的分布，进而改变产生的涡流情况，接收线圈可以感应到这些变化。
通过分析接收线圈的输出信号，我们可以得到物体的运动速度信息。
四、电涡流式传感器的工作原理1.传感器激励线圈通过加电产生一个变化的磁场。
2.传感器附近的物体在运动过程中与激励磁场相互作用，产生涡流。
3.涡流的存在改变了激励磁场的分布。
4.接收线圈感应到涡流产生的磁场变化，并将其转换为电信号输出。
5.分析接收信号可以得到物体的运动速度。
五、电涡流式传感器的优势1.非接触式测量：传感器无需与被测物体直接接触，因此可以应用于高速旋转物体的测量。
2.高精度测量：电涡流式传感器的输出信号与物体的速度相关，可以实现高精度的测量。
3.快速响应：传感器对速度变化的响应速度较快，可以实时采集物体运动的信息。
六、电涡流式传感器的应用电涡流式传感器广泛应用于许多领域的测速需求中，包括但不限于以下几个方面：6.1 机械制造在机械制造领域，传感器可以用于测量机器设备的转速、运动部件的线速度等参数。
这对于生产过程的控制和监测非常重要。
6.2 汽车工业在汽车工业中，传感器可用于测量车轮转速、飞轮转速等关键参数。
这对于车辆驾驶和安全非常重要。
6.3 航空航天在航空航天领域，传感器可用于飞机、导弹等航空器的测速。
电涡流式传感器
换为电压
Uo
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
4.4 电涡流传感器的应用
❖ 接近开关——又称无触点行程开关。它能在 一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有 无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时， 就可以发出“动作”信号。
接近开关的核心部分 是“感辨头”，它对 正在接近的物体有很 高的感辨能力
五、电涡流表面探伤 交流电流
检测原理：
Hs
交变磁通Hp
激励线圈 检测线圈
金属物
载有交变电流的线圈产生交变磁场 Hp ，金属物平面 感应出电涡流，产生交变涡流磁场 H，s均在检测线 圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。
（a）被测金属物上无缺陷： 穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电
势相互抵消，输出为零。
电涡流位移传感器的距离 与输出电压特性曲线
1—量程为10mm 2—量程为16mm 3—量程为 20mm
二、振动测量
测量悬臂梁的 振幅及频率
汽轮机叶片测试
用电涡 流探头、 调幅法 测量简 谐振动 时，探 头的输 出波形。
调频法测量振动的波形
三、转速测量
若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f
100kHz~1MHz
i2 f (, , x, d,)
电涡流
i1
Φ
H1
H2
i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的， 而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应 （也称趋肤效应）。
❖ 集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、 磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透
的深度就越浅，集肤效应越严重。
称为电涡流效应。
❖涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、 金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金 属导体的距离x、线圈的励磁电流频率f等参 数有关
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
电涡流式传感器
由上式可知涡流穿透深度h与激励电流频率ƒ有关，所以涡流传 高频反射式或低频透射式 感器根据激励频率高低，可以分为高频反射式 低频透射式 高频反射式 低频透射式两 大类。
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1. 高频反射式电涡流传感器
1. 线圈 2. 框架 3．框架衬套 4． 支架 5．电缆 6．插头
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8.3.1 电涡流式传感器的工作原理
1. 基本原理 2．等效电路 3. 测量电路
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1. 基本原理
线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号 is 正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈 ,改变了电感
电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离， 金属板材料的电阻率和磁导率 以及is的频率等 。
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3．厚度测量
电涡流式厚度计的测量原理图
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4．转速测量
f N = × 60 n
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f——频率值(Hz)； n——旋转体的槽(齿)数； N——被测轴的转速(r／min)。
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5. 涡流探伤
可以用来检查金属的表面裂纹、 可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以 及用于焊接部位的探伤等。 及用于焊接部位的探伤等。 综合参数(x, ρ, µ)的变化将引起传感器参数的 综合参数 的变化将引起传感器参数的 变化， 变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探 伤的目的。 伤的目的。 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度 的，在测量线圈上就会产生调制频率信号
电涡流式传感器
电涡流式传感器根据初中学的法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。
电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电感的变化从而进行非电量电测的。
目前生产的变间隙位移传感器，器量程范围为300m～800mm。
将块状金属导体置于通有交变电流的传感器线圈磁场中。
根据法拉第电磁感应原理，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流，电涡流也将产生一个新磁场，和方向相反，抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化。
一、电涡流式传感器的结构电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。
二、电涡流式传感器的测量电路利用电涡流式变换元件进行测量时，为了得到较强的电涡流效应，通常激磁线圈工作在较高频率下，所以信号转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。
调幅式(AM)电路调频式(FM)电路调频式电路(100kHz～1MHz)结构如图所示：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△ƒ转换为电压U0。
三、电涡流式传感器的应用电路电涡流式传感器具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强和可以非接触测量等优点，被广泛应用于工业生产和科学研究各个领域中。
1、电磁炉电磁炉是我们日常生活中必备的家用电器之一，涡流传感器是其核心器件之一，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。
2、电涡流探雷器3、电涡流式接近开关接近开关又称无触点行程开关。
它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。
当物体接近到设定距离时，就可发出“动作”信号。
电涡流式传感器
电涡流式传感器
基本概念
➢ 电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。 ➢ 涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，在金属导体内会产生感
应电流—涡电流，这种电流在金属体内是闭合的。 ➢ 形成涡电流的两个条件：
①有交变磁场；②导电体位于交变磁场中。 ➢ 涡流传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近的金
因此可制成位移传感器、探伤检测仪、测厚仪等。
1.2 简化模型及等效电路
为了分析方便，将电
涡流式传感器模型简化为
如图3.21所示。
ras
模型中把在被测金属
导体上形成的电涡流等效
成一个短路环中的电流。
其中h由以下公式求得：
3 12
ra ri
x
h ( )1 2 0 r f
(μrρ)
h
图 3.21 电涡流式传感器简化模型
定性分析：
如图3-20，扁平线圈置于金属体附近，
当线圈中通有高频交变电流 I1 时，线圈周 围就产生交变磁场H1。置于这一磁场中的 金属导体就产生电涡流 I2，电涡流也将产 生一个新磁场H2，H2的方向总是与H1的变 化方向相反（即H2总是抵抗原磁场H1 的 变化）。由于H2的作用，且电涡流的产生 必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场 的线圈阻抗发生变化△Z。
线圈
H1
被测导体
·
· I·1 U1
L1
I·2
L2
图3-22 涡流作用原理及等效电路
图4.3.1 电涡流传感器原理图
图4.3.2 电涡流传感器等效电路图
图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可认为是 一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个
第六讲2-电涡流传感器
流角频率ω等参数有关。若固定某些参数，就可根 据涡流的变化测量另一个参数。
电涡流传感器
演 示 实 验
电涡流传感器
3.4.2 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
交流 放大
相敏 指示器 检波
振荡器
电涡流传感器
变气隙式电感测微仪
电涡流传感器
电感压力传感器 —— 变气隙式结构
F
A
L
P
电涡流传感器 56 7
4
3
2 1
图18 微压传感器 1 接头；2 膜盒；3 底座；4 线路板；
5 差动变压器；6 衔铁；7 罩壳
电涡流传感器
变气隙式差动压力传感器
P
电涡流传感器
电涡流传感器
3.4 电涡流式传感器 3.4.1 电涡流式传感器的基本原理
电涡流传感器
涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的 电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它
们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i 时，
便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产 生感应电流i1， i1在金属体内是闭合的，所以称之 为电涡流或涡流。涡流的大小等效阻抗为：
.
Z
U1
.
I
R
2M2
R12 L1 2
R1
j L
2M2
R12 L1 2
实验二：电涡流式传感器的静态标定
实验二电涡流式传感器的静态标定
一实验目的:
了解电涡流式传感器的原理及工作性能
二实验原理:
通以高频电流的线圈产生磁场, 当有导体接近时, 因导体涡流效应产生涡流损耗, 而涡流损耗与导电体的材料及线圈的距离有关, 因此可以进行位移测量。
三实验器材:
涡流变换器、F／V表、测微头、铁测片、涡流传感器、示波器、振动平台、主、副电源。
四实验步骤:
(1)装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。
(2)观察传感器的结构, 它是一个扁平线圈。
(3)用导线将传感器接入涡流变换器输入端, 将输出端接至F／V表, 电压表置于２０Ｖ档, 见图１, 开启主、副电源。
图１
(4)用示波器观察涡流变换器输入端的波形。
如发现没有振荡波形出现, 再将被测体移开一些。
适当调节传感器的高度, 使其与被测铁片接触, 从此开始读数, 记下示波器及电压表的数值, 填入下表:
建议每隔0.10mm读数, 到线性严重变坏为止。
根据实验数据。
在座标纸上画出Ｖ－Ｘ曲线, 指出大致的线性范围, 求出系统灵敏度。
（最好能用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度）。
五实验结果
六注意事项:
被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行, 并将探头尽量对准被测体中间, 以减少涡流损失。
七实验心得
涡流传感器灵敏度和分辨率高, 线性度也很好, 在涉及到一些导体的位置移位等相关测量时, 使用涡流传感器可以很好的实现不接触测量, 而且电涡流传感器利用涡流效应, 可以用其测量导体内部的一些性质。