电涡流传感器的测量电路
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 （
一文读懂电涡流传感器
一文读懂电涡流传感器电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。
传感器探头里有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。
这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。
注意：电涡流传感器要求被测体必须是导体。
电涡流传感器的工作原理当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。
如果在磁场H1的范围没有金属导体接近，则发射到这一范围内的能量都会被释放；反之，如果有金属导体接近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。
由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗。
这种变化与电涡流效应有关，也与静磁学效应有关（与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离参数有关）。
假定金属导体是均质的，其性能是线形和各向同性的，则线圈——金属导体系统的磁导率u、电导率σ、尺寸因子r、线圈与金属导体距离δ线圈激励电流I和频率ω等参数来描述。
因此线圈的阻抗可用函数Z=F（u，σ，r，δ，I，ω）来表示。
如果控制u，σ，r，I，ω恒定不变，那么阻抗Z就成为距离的单值函数，由麦克斯韦尔公式，可以求得此函数为一非线形函数，其曲线为“S”型曲线，在一定范围内可以近似为一线形函数。
通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离δ的变化转化成电压或电流的变化。
输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
一般来说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与导体的几何形状、导电率和磁导率有关。
电涡流传感器系列实验
电涡流传感器系列实验实验一：电涡流传感器的静态标定摘要：电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗乙而涡流的大小与金属涡流片的电阻率，导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关, 将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
①1 实验目的了解电涡流式传感器的原理及工作性能2实验所用仪器设备涡流变换器、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②3 实验原理通以高频电流的线圈产生磁场，当有导体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体的材料以及和线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
②4实验步骤(1)装载好传感器(2)连接电路，电压表置于20V档，开启主副电源(3)用示波器观察涡流变换器的输入端波形(4)调节传感器的高度值，改变高度，记下示波器及电压表的示数5实验结果与分析⑴涡流变换器输入端的波形为正弦波，示波器的时基为口s/cm⑵改变传感器的高度值，记录电压表示数，记录如下表由曲线，我们可以得到灵敏度为K==mm由此可以看到涡流传感器灵敏度高，分辨力高。
6实验心得与建议该涡流传感器测量灵敏度高，分辨力高，线性度也很好，在涉及到一些导体的位置、位移等相关测量时，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的是涡流效应，可以利用其进行导体内部的一些性质。
7思考拓展1位移传感器的静态自动标定与实验研究传感器作为自动控制系统和信息系统的关键器件其技术水平直接影响自动化系统和信息系统的整体水平。
自动化技术水平越高对传感器技术依赖程度越大，传感器产业以其技术含量高，渗透能力强，经济效益好，市场前景广等优点被公认为是国内外具有发展前途的高技术产业，受到全社会的瞩目。
全世界约有40 个国家从事传感器器件的研制生产和应用开发工作，其中以日俄美等国实力较强，他们创建了化学量物理量生物量三大门类的传感器产业生产研发单位5000 余家，产品20000 多种，并且已对应用范围较广的产品进行了规模化生产。
电涡流传感器电路设计
电涡流传感器电路设计作者：汪晓凌杜嘉文来源：《硅谷》2013年第01期摘要：在无损测量当中，电涡流传感器测量因为能够实现工件在线非接触测量，测量精度高、无污染、制作价格低廉等优点，一直被作为一种重要的检测设备，在涡流技术高速发展的今天，电涡流的优势越来越明显应用也越来越广泛。
电涡流传感器是电涡流测量淬火层厚度的核心部分，传感器的测量精度直接影响整个测厚设备的精度，传统的电涡流传感器包括测量探头、整流滤波电路的设计、放大器的设计等，电涡流传感器的精确测量也离不开位移测厚标定器，这里主要研究电涡流测厚核心电路的设计。
关键词：无损测量；电涡流；测厚；电路0 引言电涡流无损检测具有很悠久的历史，从Michael Faradays总结出电磁感应定律，即变化的磁场能产生电场以来，电磁感应相关技术取得了巨大的发展。
后来Foster提出的通过分析系统的阻抗变化来分析涡流检测仪的干扰因素，为涡流检测提供了很好的理论依据，大大推动了电涡流无损检测技术的发展。
通过对阻抗分析法的有效运用，电涡流测量技术已经渗透到我们工业测量的方方面面，包括了航空航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、机械、汽车等部门，电涡流无损技术的快速发展，相关研究和运用也越来越广泛，其中传感器的电路设计和测量精度的控制都是研究的焦点。
1 涡流检测原理图涡流检测是无损检测的一个分支，是运用电磁感应原理，将一半径为r的线圈通过正弦波电流后，线圈周围就会产生一交变磁场H1；若在距线圈x处有一电导率为a，磁导率为u厚度为d的金属板，线圈周围的交变磁场会在金属表面产生感应电流，也称作涡流。
金属表面也产生一个与原磁场方向相反的相同的相同频率的磁场H2，反射到探头线圈，导致载流线圈的阻抗和电感的变化，改变了线圈的电流大小及相位，原理图如图1所示。
图1 电涡流测厚原理图2 测厚探头的设计图2 电涡流测量电路整体设计图电涡流测量电路的整体测量电路设计图如图2所示，涡流探头测量物体厚度后引起阻抗的变化，通过电桥电路转化成电流信号输出，也由于信号很微弱，需要经过放大器进行功率放大输出，经过整波电路，把交流信号转化为直流信号，然后把那些高频的还有低频的号过滤掉，得到干扰较小的电流信号，经过放大器尽心比例放大后接入ARM7的A/D转换接口，把模拟信号转化为数字信号，对信号进行控制然后接入数字示波器，观察波形输出，把结果通过PC 机显示出来[1]。
3.3电涡流式传感器
旋转体转动时，传感器将周期性地改变输出信号，此电压经放大、 整形，可由频率计测出频率值。
这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在 旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min。
N
f n
60
f——频率值(Hz)； n——旋转体的槽(齿)数； N——被测轴的转速(r／min)。
h 5030
r f
( cm )
式中, ρ——导体电阻率(Ω·cm)； r——导体相对磁导率； ƒ ——交变磁场频率(Hz)。 可见，h与激励电流频率有关，故电涡流传感器按激 励频率高低，可分为高频反射式和低频透射式两大类。
15
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
Leq
Req
由以上两式可知： 1、由于电涡流影响，线圈复阻抗的实部（等效阻抗）增大， 虚部（等效电感）减小，故线圈等效品质因数Q下降。 2、电涡流传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数。通 常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，故电涡流传感器 属于电感式（互感式）传感器。
10
3. 测量电路
由式上式解得等效阻抗Z 的表达式为 h
& & & & R1 I1 j L1 I1 j MI 2 U1 ra & R I j L I 0 & & j MI1 2 2 2 2
U1
I 1
Ⅰ
I 2
L1 L2
Ⅱ
R2
传感器线圈
电涡流短路环
2 2 2 2 & U1 M M Z R1 2 R2 j L1 2 L2 2 2 2 2 & R2 L2 R2 L2 I1
传感器原理及工程应用_(第三版)_((郁有文))_(西安电子科技大学出版)_详细答案 (1)
4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。
2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。
图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。
石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。
当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。
因此，输出电压也随x而变化。
输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。
图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。
3、特点✧调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。
✧调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。
4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。
试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。
【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。
S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。
若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。
电涡流传感器转速测量实验
电涡流传感器V-n 曲线图
U/V
转速n /r p m 电涡流传感器转速测量实验报告
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量转速的原理与方法。
二、实验仪器：
电涡流传感器、转动源、+5V 、+4、±6、±8、±10V 直流电源、电涡流传感器模块
三、实验原理：
根据电涡流传感器对不同材质的被测物输出不同和静态位移特性，选择合适的工作点即可测量转速。
四、实验内容与步骤
1、将电涡流传感器安装到转动源传感器支架上，引出线接电涡流传感器实验模块。
2、合上主控台电源，选择不同电源+4V 、+6V 、+8V 、+10V 、12V （±6）、16V （±8）、20V （±
10）、24V 驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后，记录驱动电压对应的转速，也可用示波器观测磁电传感器输出的波形。
五、数据分析与记录
1、数据记录表格
2、用matlab 绘制的V -n 曲线图如下图所示
3、电涡流传感器传感器测量转速原理
传感器线圈由信号激励，使它产生一个交变磁场，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流，而此电涡流又将产生一交变磁场阻碍外
磁场的变化。
因此当被测体与传感器间的距离改变时，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。
六、实验报告
1．分析电涡流传感器传感器测量转速原理。
2．根据记录的驱动电压和转速，作V-n曲线。
涡流测量电路
终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如 两者之间的距离等参数）。
a
14
部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数
人的手、泥土或装满水的玻璃杯能
对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什
么？
a
15
(二)调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）
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a 换为电压Uo 。 16
a
6
R1
M
·
·
I1
U1
L1
R2
·
I2
L2
其等效电路如上图所示，R1、L1为传感器线圈的电
阻和电感。短路环可以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互感M，它随 线圈与导体间距的减小而增大。
线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互 感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的 变化而改变的。
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 。
a
17
交变磁场
电涡流探头外形
a
18
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
7—阈值指示灯 8—输出屏蔽电缆线 9—电缆插头
a
19
4.3.3 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。
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其工作原理如图14.1和14.2所示，由传感器线圈和被测导体组成线圈与导 体系统。根据法拉第电磁感应定律，当传感器线圈通以正弦交变电流İ1时， 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体产生 电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2；由愣次定律可知，H2将反抗原磁场 H1的变化，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。因此，线圈阻抗的
14.2.2 电涡流传感器的测量电路
1.基本测量电路 电涡流式传感器的基本测量电路如图14.3所示，为一电容补偿的交流电桥， 工作原理如下：A、B为传感器线圈（差动结构），它们与电容C1、C2及电 阻R1、R2共同构成桥路的四个桥臂。当传感器线圈的阻抗产生变化时引起电 桥失衡，引不平衡电压经线性放大器放大，再经检波器
晶体振荡器
R
L
C
源极输出器
高频放大器
滤波器
检波器
图14.4 电涡流传感器调幅原理图
电容三点 式振荡器
检波器
滤波器
射极跟随器
4
图14.5 电涡流传感器变频调幅原理图
3.变频调幅电路
调幅电路虽然有很多优点，并获得了广泛的应用，但其线路复杂，安装调 试较困难，且线性范围也较窄。因此，科研人员对其进行了进一步改进，研 究出了变频式调幅测量电路。如图14.5所示，其原理是将传感器的线圈直接 接入电容三点式振荡回路，当被测导体与传感器线圈 的距离发生变化时， 由于电涡流的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生了改变，利用振荡 幅度的变化来测量线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。
这种测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等 优点，因此在位移、转速、振动等测量及自动控制等领域得到了越来越广泛 的应用。
4.调频电路
这种测量电路与变频调幅测量电路一样，将传感器线圈直接接入电容三点 式振荡回路，所不同的是，它以振荡频率的变化为输出信号。如欲以电压作 为输出信号，则应后接鉴频器。
5
L±Δl f0±Δf
x±Δ
传 感
振 荡
器
器
高频 放大
位移输出
振幅 输出
检波器
低频 放大
限幅器 静态 动态
鉴频器 Δu
功率放 大器
图14.6 电涡流传感器调频原理图
2
6
5
7
3
1
WL涡流
液晶变换 4 WL电压表5图14.7 电涡流传感器标定原理图
6
14.2.3 电涡流传感器的特性测试原理
本次实训的基本原理与实训十二相似，将涡流线圈装在悬臂梁的自由 端，被测金属导体固定在实训台上，如图14.7所示，1为固定架、2是螺旋 测微头、3是涡流线圈、4为金属导体、5为实训台底座、6是涡流变换模块、 7是液晶电压表。当旋动螺旋测微头时，线圈与导体之间的距离就发生变化， 使导体的电涡流产生相应改变，导致传感器输出电压信号产生变化，经信 号处理电路处理后可输出一个与位移成正比的电压。信号处理电路主要是 涡流变换模块，它是一种变频调幅式测量电路。用液晶电压表来显示输出 电压，通过螺旋测微头给出的标准位移就可对传感器进行静态标定。
检波后输出一与被测量成正比的电压量。这种测量电路简单易行，主要 用于测量精度要求不高的差动式电涡流传感器中。
2.调幅电路 这种测量电路的基本原理是建立在传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路， 原理框图如图14.4所示，由晶体振荡器提供高频激励电压。当被测导体
3
无变化时，LC谐振回路的频率与振荡器频率一致，这时回路阻抗Z为最大产 生的压降也达到最大。当传感器线圈与被测导体的距离发生变化时，涡流损 耗增加，回路失调，输出电压相应减小。因此，在一定范围内，输出电压幅 值与距离X成近似线性关系。由于输出电压的频率始终恒定，因此这种电路称 为调幅式测量电路。这种电路采用石英晶体振荡器作为激励源，主要是为了 获得最稳定的高频激励信号，以保证稳定的输出。因为振荡器的频率若发生 1%的变化，一般将引起输出电压10%左右的漂移。图14.4中R为耦合电阻，用 来减小传感器对振荡器的影响，作为恒流源的内阻，R的大小直接影响到系统 的灵敏度，R大灵敏度低，R小则灵敏度高；但过小时由于旁路作用也会使灵 敏度降低。因为，谐振回路输出的高频载波信号较弱，故设有高频放大、检 波和滤波处理部分，使系统的输出信号便于传输与检测。图中的源极输出器 是为了减小振荡器的负载而加的。
如果保持上式中其它参数不变，只改变其中的一个参数，则传感器线圈 的等效阻抗Z就成了此参数的单值函数。通过与此相配套的测量电路测出其 等效阻抗Z的变化量就实现了对该参数的测量，这就是电涡流式传感器工作 的基本原理。
2
3.电涡流传感器的性能特点 电涡流式传感器不仅具有很高的灵敏度、良好的线性度和极强的抗干扰能 力、而且测量范围大、不易受油污等介质的影响，还具有结构简单、安装方 便，并能实现不接触测量等诸多优点。因此，它不仅在位移、振幅、厚度、 表面温度、流体压力、钢水的液位和转速等物理量的检测中得到了越来越广 泛的应用。而且在金属探伤检测、远距离监控、动力系统的故障诊断等许多 领域都得到了应用。
14.2 实训的基本原理
14.2.1电涡流传感器的结构原理 1.电涡流效应 当通过块状金属导体中的磁通发生变化时，根据法拉第电磁感应定律可知， 在金属导体中会感应出一圈圈自行封闭的感应电流，此电流称为电涡流， 这种物理现象称为电涡流效应。 2.电涡流传感器的结构原理 利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据电涡流在导体内的贯 穿情况，电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两大类[9]。这种传 感器一般主要有线圈、铁芯、框架和连接导线及外壳等几部分组成。
1
线圈
H1
I1
H2 被测导体
H I2
R1
M
R2
I1
I2
u
L1
L2
~
线圈系统
金属导体
图14.1 电涡流传感器原理图
图14.1 电涡流传感器等效电路图
变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测导体
的电阻率ρ、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、励磁电流频率 有关，还与线圈与被测金属导体的距离x有关。故电涡流传感器的线圈受电 涡流影响时的等效阻抗Z可用Z=F（ρ，，r，f，x）表示其函数关系，其中r 为传感器线圈与被测导体的民族尺寸因子。