第四章 电涡流式传感器(2013)

Z
2 2
2
)
R1 (1
R2 R1
2M
Z
2 2
2
)
L1
R1
1
1
L2 L1 R2 R1
2M
Z
2 2
2M
Z
2 2
2 2
讨论
L
L1
L2
2M
Z22
2
R
R1
R2
2M
Z
2 2
2
（1）阻抗、电感、品质因数都与互感系数M有关。
M与x为非线性关系，即：
Z F1 x, L1 F2 x, Q F3 x
（2）若被测体为磁性材料，则x减小，L1增大；若被测 导体为非磁性材料，则L1=const.;
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场 的线圈阻抗发生变化， 电涡流式传感器就是在这种涡流效应 的基础上建立起来的。
优点：
测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污 等介质的影响，结构简单，安装方便等特点
具有非接触测量的优点
电涡流传感器的基本形式是电涡流式位移传感器， 是基于它的位移输出特性，本章以电涡流式位移传 感器为重点，主要讲解电涡流线圈与待测导体间距 离变化时呈现的一些特性以及应用。
第四章 电涡流式传感器
电涡流式传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进 行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激 励源（传感器线圈）。被测对象以某种方式调制磁场，从而 改变激励线圈的电感。
电涡流式传感器的工作原理是基于电涡流效应,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，该 电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流， 这种现象称为电涡流效应。
到最大值的5％）
ri 0.525 ros
ro 1.89 ros
三、电涡流的轴向贯穿深度
“趋肤效应”(集肤效应）—交流电通过导体时，由于感应作用，引起导体 截面积上电流分布不均匀；越近导体表面，电流密度越大。
由于“趋肤效应”，涡流密度在金属导体中的轴向分
布 按指数规律衰减：
x
jx joe t
jo －金属表面涡流密度（即最大电流密度）；
被测导体置于该磁场周围之内，
被测导体内变会产生电涡流J2，电
涡流也将产生一个新的磁场H2。
H2与H1方向相反，因而抵消部分 原磁场，从而导致线圈的电感量、
阻抗和品质因素发生改变。
涡电流
阻抗 Z F1, ,r, x,t, I , 为金属导体的磁导率,为电导率,
电感
L1 F2 , , r, x,t, I, x为距离,t为厚度, I为电流,为频率，
（3）L中第二项与电涡流有关，电涡流产生一与原磁场方 向相反的磁场并由此减小线圈的电感，间距x越小，电感的 减小程度就越大。
（4）在金属导体上流动的电涡流必然产生热量而消耗能量， 使线圈阻抗的实数部分增加，导致品质因数Ｑ值下降。
§4-2电涡流形成的范围
电涡流不仅是距离x的函数，而且只在被测导体的表面薄层 内及半径方向的有限范围内形成。
品质因数 Q F3 , , r, x, t, I, r为激励线圈半径,
如果控制上面公式中的某些参数不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗 就成为这个参数的单值函数。特别是在 、、r、t、I、 恒定不变时。Z就 变成距离x的单值函数。因此，电涡流传感器是一个载流线圈加上金属导体。
二、等效电路分析
精确列出线圈阻抗与线圈到被测导体 距离等参数之间的函数是比较困难的， 可将涡电流等效为一个短路线圈，它 与传感线圈构成耦合线圈。
ros 一般：X 0.05 0.15
ros
二、涡电流的径向形成范围
一种简化的模型 如图。
线圈外半径
导体假设只有一个环，而环
中的电流密度（电流/单位面积）是半径的函
数：
jr
jo jo
v4e41 v14e141
0r r
ros
ros
线圈内半径
v r , ros
jo为v 1时，电涡流（最大）密 度
ri 0.525 ros
被测金属
ro 1.89 ros
当：r ros ,最大电流密度，jr j0; 当：r 0,或r , j 0。
讨论
1、当 r r os 时，即在线圈外径处，电涡流密度最大（＝jo)；
2、在线圈的轴线附近，电涡流非常小，可以设想为一个孔，这个
孔的孔径为 r 0.525 ros ( ri ) ； 3、当 r 1.89ros( ro ) （称“有效外径”时，电流密度衰减
记
2M 2 R22 L2
2
2M 2
Z22
A
Z 2 金属导体中产生的涡电流环的阻抗
线圈等效阻抗：Z
(R1
R2
2M
Z
2 2
2
)
j L1
L2
2M
Z 22
2
线圈等效电阻：R
R1
R2
2M
Z
2 2
2
线圈等效电感：L
L1
L2
2M
Z22
2
Q0无涡流影响
线圈的品质 因数： Q
L
R
L1 (1
L2 L1
2M
电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
1）干净、高效的电磁炉
电磁炉内部的励磁线圈
2）电磁炉的工作原理
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。
3）大直径电涡流探雷器
§4-1工作原理
一、工作原理
一个通有交流电流J1的传感器线 圈，由于电流的变化，在线圈周围 就产生一个交变磁场H1。
一、电涡流与轴向距离的关系
由线圈－导体的电磁作用，可得导体中电涡流为：
• •
I2
I1
1
x x2 ro2s
• I1 1
1
1
ros x
2
•
I1 为线圈激励电流 x为间距 ros为线圈外半径
讨论 1、电涡流随轴向距离x的增加而迅速减小；即：
x I2
ros
I1
2、为了获得较强的电涡流效应，应保证： x 1
（2）当被测导体材料一 定时。轴向贯穿深度是激 励频率的函数。频率越高， 趋肤深度越小。
jx －金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度；
ｔ－趋肤深度（轴向贯穿深度）；
在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为： jt 则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。
jo e
贯穿深度值可由下式计算：
t
导体电阻率；
r 相对磁导率；
f 激励频率
5000 ,
o rf
r f
讨论
（1）贯穿深度与被测体 的材料有关；
由基尔霍夫定律，得：
R1
•
I1
jL1
•
I1
jM
•
I2
•
U
•
•
•
jM I1 R2 I2 jL2 I 2 0
解：ห้องสมุดไป่ตู้
•
I1
•
•
U
R1
2M 2
R22 L1 2
R2
j L1
2M 2
R22 L2 2
L2
U
Z
传感器等效阻抗：
Z
R1
2M 2
R22 L2 2
R2
j L1
2M 2
R22 L2 2
L2