差动式线圈涡流传感器检测机理与应用研究
传感器与检测技术总结
传感器与检测技术 第一章 概 述一、 传感器的作用是：传感器是各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，具有不可替代的重要作用。
二、 传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
三、 传感器的组成：被测量---敏感元件---转换元件----基本转换电路----电量输出四、 传感器的分类：按被测量对象分类（内部系统状态的内部信息传感器{位置、速度、力、力矩、温度、导演变化}、外部环境状态的外部信息传感器{接触式[触觉、滑动觉、压觉]、非接触式[视觉、超声测距、激光测距）；按工作机理分类（结构型{电容式、电感式}、物性型{霍尔式、压电式}）；按是否有能量转换分类（能量控制型[有源型]、能量转换型[无源型]）；按输出信号的性质分类（开关型[二值型]{接触型[微动、行程、接触开关]、非接触式[光电、接近开关]}、模拟型{电阻型[电位器、电阻应变片]，电压、电流型[热电偶、光电电池]，电感、电容型[电感、电容式位置传感器]}、数字型{计数型[脉冲或方波信号+计数器]、代码型[回转编码器、磁尺]}）。
五、 传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。
当输入量为常量，或变化极慢时，称为静态特性；输出量对于随时间变化的输入量的响应特性，这一关系称为动态特性，这一特性取决于传感器本身及输入信号的形式。
可以分为接触式环节（以刚性接触形式传递信息）、模拟环节（多数是非刚性传递信息）、数字环节。
动态测量输入信号的形式通常采用正弦周期（在频域内）信号和阶跃信号(在时域内)。
六、 传感器的静态特性：线性度（以一定的拟合直线作基准与校准曲线比较%100max⨯∆=Y L L δ）、迟滞、重复性、灵敏度（K 0=△Y/△X=输出变化量/输入变化量=k 1k 2···k n ）和灵敏度误差（r s =△K 0/K 0×100%、稳定性、静态测量不确定性、其他性能参数：温度稳定性、抗干扰稳定性。
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
《传感与检测技术》习题及解答
第1章传感与检测技术基础1、电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理分别是什么？2、说明3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：根据变气隙自感式传感器的计算式：00022l S W L μ=，线圈自感的大小，即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关，还与磁路上空气隙的长度l 0有关；传感器的非线性误差：%100])([200⨯+∆+∆= l ll l r 。
由此可见，要改善非线性，必须使l l∆要小，一般控制在0.1~0.2。
（因要求传感器的灵敏度不能太小，即初始间隙l 0应尽量小，故l ∆不能过大。
）传感器的灵敏度：20022l S W dl dL l L K l ⨯-=≈∆∆≈μ，由此式可以看出，为提高灵敏度可增加线圈匝数W ，增大等效截面积S 0，但这样都会增加传感器的尺寸；同时也可以减小初始间隙l 0，效果最明显。
4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过 11、互感式12、零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：在差动式自感传感器和差动变压器中，衔铁位于零点位置时，理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。
但实际输出并不为零，这个电压就是零点残余电压。
残差产生原因：①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称，如几何尺寸不对称、电气参数不对称。
②存在寄生参数；③供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡。
④供电电源很好，但磁路本身存在非线性。
⑤工频干扰。
差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除：①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R；②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等③采用试探法。
在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。
电涡流传感器实验
电涡流式传感器传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，在现代科学技术领域中的地位越来越重要。
各类传感器的研制、推广和使用飞速发展，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术将是二十一世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。
实际应用中，人们通常把将非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。
电涡流式传感器是建立在涡流效应原理上的一种传感器。
利用它可以把距离的变化转换为电量的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；也可以利用它把电阻率的变化转换成电量的变化，做成表面温度、电介质的浓度等传感器；还可以利用它把磁导率的变化转换为电量的变化，做成应力、硬度等传感器。
电涡流式传感器能够实现非接触测量，而且还具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单及安装方便等优点。
因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。
【实验目的】1．了解电涡流式传感器的工作原理。
2．掌握静态标定的方法，了解被测材料对电涡流式传感器特性的影响。
3．掌握电涡流传感器测量振幅的方法4．了解由电涡流式传感器组成的电子称的标定和测量方法。
【实验原理】1．电涡流式传感器工作原理电涡流传感器有高频反射式和低频透射式两种，高频反射式应用较广。
本实验使用高频反射式。
如图6.2-2所示，在一金属导体上方放置一个线圈，当线圈中通入交变电流I 1时，线圈的周围空间就产生了交变磁场H 1，则金属导体中将产生感生电流I 2，由于I 2呈涡旋状，故称为电涡流。
而此电涡流将产生交变磁场H 2，它的方向与磁场H 1方向相反，由于磁场H 2的反作用使导电线圈的电感量、阻抗及品质因数等发生变化，这些参数变化量的大小与金属导体的电阻率、磁导率、几何形状、激励电流以及线圈与金属导体间的距离等有关。
限制其中其它参数不变，只让其中某一个参数变化，就构成了测量该参数的传感器。
涡流效应可等效为如图6.2-3所示的等效电路。
图中，R 1和L 1为传感器线圈的电阻和电感，R 2和L 2为金属导体等效的电阻和电感，各自的电流为I 1、I 2 ，U 为激励电压，M 为互感系数。
医用传感器习题
第一章习题1.医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用？2.传感器定义中“有用信号”的含义是什么？为什么通常传感器输出信号形式为电信号？3.何谓物理型、化学型、生物型传感器？4.何谓直接型、间接型、物性型和结构型传感器？5.试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点。
6.人体信息的特殊性及检测的特点？对医用传感器有哪些特殊要求？7.就医用传感器的发展任选角度写一篇综述（要求附参考资料，不少于1500字.）。
第二章习题1.何谓传感器的静态特性？写出静态特性的一般数学模型及三种典型形式，并说明物理意义。
2.衡量静态特性的指标主要有哪些？分别说明其定义和物理意义。
3.线性度对应的几种拟和方法的特点及使用时应注意的问题。
4.何谓传感器的动态特性？写出动态特性的数学模型并说明各个量的物理意义。
5.阶跃响应分析中的时域性能指标有哪些？各自的定义及意义。
6.何谓传感器的频率特性？如何描述？7.分别写出零阶、一阶、二阶传感器对应的特征参数的物理意义及响应特性并说明各自的特点。
8. 画出二阶传感器对单位阶跃信号，在阻尼比ξ＜１，ξ＝１，ξ＞１时，其输出Y(t)的时间响应特性曲线并说明其特点。
9.设X、Y分别为传感器的输入值、输出值，下表列出的为测试结果，计算其端点线性度、平均选点线性度、最小二乘法线性度，并进行比较，根据比较结果得出什么结论？假设另有一组测量值将如何计算？10. 分别在下面两幅图中标出以下各量：(1)上升时间； (2)稳定时间； (3)峰值时间； (4)最大超调量Y(t)1 111. 若有微分方程式为： 其中x 是输入信号，y 是输出信号，a 到h 均为常数。
求其时间常数。
12.将某温度计放入100℃的恒温水中，测得如下数据（忽略记录仪惯性）：根据所列数据，判断此系统是否为一阶系统，如果是，请用最小二乘法求出时间常数τ(提示：对假定的一阶模型t y A Beτ-=-，作ln()Y A y =-与时间t 的曲线，判断是否为一阶系统)。
电涡流传感器的测量电路
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。
(完整版)电涡流位移传感器.
传感器课程设计燕山大学课程设计说明书题目：电涡流位移传感器设计学院（系）：电气工程系年级专业： 14级工业仪表 1班学号： 131203021060学生姓名：韩升升指导教师：程淑红教师职称：副教授燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：电子实验中心学生姓名学号专业（班级）设计题目电涡流位移传感器设计设计技术参数工作计划12答辩并写好任务书画出电路图和探头部分结构图【 1】贾伯年传感器技术东南大学出版社 2007参考资料【 2】林志琦信号发生电路原理与实用设计人民邮电出版社2010【 3】Arthur B.Williams术出版社 2008著宁彦卿译电子滤波器设计科学技指导教师签基层教学单位主任签字字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
年月日目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 6 6 6 8 电涡流位移传感器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一、总体设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯二、电涡流传感器 的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2.1电涡流传感器工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2.2电涡流传感器等效电路分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2.3电涡流传感器测量电路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯三、实验数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14 3.1 3.2 电涡流透射式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯电涡流反射式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 15 个人小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 17摘要随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。
特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。
传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。
在工程中所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，及研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的非电量技术。
传感器与检测技术第二版胡向东著
L1 弹簧
测量杆 工件
衔铁 L2
线圈2 铁芯2
R
U
U o
R
电感测微仪 返回
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4.2 差动变压器 电感式传感器
将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为互 感式传感器。这种互感传感器是根据变压器的基本原理 制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变 压器式传感器，简称差动变压器。在这种传感器中，一 般将被测量的变化转换为变压器的互感变化，变压器初 级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电动势。
L N 2 N 20 A0
Rm
2
（4-6）
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L N 2 N 20 A0
Rm
2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁
路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化， 因此变磁阻电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感
器和变气隙面积A0的传感器。
目前使用最广泛的是变气隙厚度电感式传感器。
N 20S 2(0 )
N 20S ( 0 0 ) 20 0 0
2L0
0
1
1
(
)2
0
电感的相对变化量为
L L0
2
0
1
1
(
)2
0
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当 1 时，上式用泰勒级数展开成级数形式为
0
L L0
2
0
1
(
0
)2
（ 0
）4 （ 0
）8
＜ 3
非线性：
L / L0
2
0
2
L /
L0
0
灵敏度：忽略高次项
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差动式线圈涡流传感器检测机理与应
用探究
关键词：差动式线圈涡流传感器，涡流检测，轨道检测，井下油管检测，飞机翼表面裂纹检测
一、概述
差动式线圈涡流传感器是一种基于涡流检测原理的高精度传感器，可用于测量各种导电材料的电导率、尺寸和缺陷。
在不同的应用场景下，差动式线圈涡流传感器具有不同的检测原理和特点。
本文将重点介绍差动式线圈涡流传感器的原理和应用探究状况。
二、涡流传感器基本原理和结构
涡流传感器的工作原理是基于涡流的感应效应，即：在导电体内部或表面产生交变电场时，会激发出感应涡流并造成涡流损耗。
涡流对应的损耗信号可以通过检测电路转换为电压或电流信号，用于表征被检测导电材料的性质和缺陷。
差动式线圈涡流传感器是一种主动探头，它由两个相同的线圈组成。
其中一个线圈作为激励线圈，另一个线圈作为检测线圈。
激励线圈中通以一定频率的交变电流，产生变化的磁场，这个
磁场会穿过被测导体，并激发出涡流。
这些涡流也将产生自己的磁场，这个磁场被检测线圈感应，从而测量被测导体的性质或缺陷。
三、差动式线圈涡流传感器的原理和特点
差动式线圈涡流传感器是一种特殊的涡流传感器。
它的检测原理是基于两个相同的线圈之间的差分信号，可以有效地消除外界的噪声和干扰，提高检测精度和灵敏度。
差动式线圈涡流传感器主要有以下几个特点：
1. 高精度：差分测量方式能够消除外界噪声和干扰，提高检测精度和灵敏度。
2. 高灵敏度：有效控制激励线圈与被检材料之间的距离，可大大提高灵敏度。
3. 高速度：差分信号处理电路设计合理，能够实现高速数据采集和处理。
4. 多功能性：可定制不同尺寸和外形的探头，适用于不同的材料和应用场景。
四、差动式线圈涡流传感器在不同应用场景下的应用探究
1. 轨道检测
差动式线圈涡流传感器可以用于轨道检测，可以检测铁路轨道表面的疲惫毁伤、腐蚀和其他缺陷。
其优点是具有高灵敏度，高精度和不需占用轨道的特点，并且可以自动扫描轨道，实现高效检测。
2. 井下油管检测
差动式线圈涡流传感器也可以用于井下油管检测。
由于差动式线圈涡流传感器不需要直接接触管道表面，因此可以防止损坏管道，并且可适应不同外形和尺寸的油管。
它可以检测管道内表面的腐蚀、裂纹和疲惫毁伤等缺陷。
3. 飞机翼表面裂纹检测
差动式线圈涡流传感器也可以用于飞机翼表面裂纹检测。
对于飞机制造商和修理人员来说，翼面裂纹是一个重要的检测问题。
差动式线圈涡流传感器可以非接触地检测翼面表面的微小缺陷，并可以快速探测整个翼面。
五、结论和展望
本文介绍了差动式线圈涡流传感器的基本原理、特点和应用探究状况。
从轨道检测、井下油管检测到飞机翼表面裂纹检测等，差动式线圈涡流传感器已经被证明是一种具有广泛应用前景的高精度传感器。
将来，随着技术的不息进步，差动式线圈涡流传感器将更好地适应于各种应用场景，并发挥更大的作用。
总的来说，差动式线圈涡流传感器具有高灵敏度、高精度、非接触式和适应不同外形和尺寸的对象等优点，因此在不同领域均有广泛应用。
除了前述几个应用场景外，差动式线圈涡流传感器还可以用于航天器和火箭的表面检测、汽车零部件的质量检测和风力涡轮机叶片的毁伤检测等。
值得关注的是，随着人工智能、物联网和云计算等技术的不息进步，传感器技术将会得到更广泛的应用。
差动式线圈涡流传感器也将随之进步，可以与其他传感器进行联合检测，将检测结果实时上传到云端进行分析和处理。
同时，在传感器自身方面，开发更精密的控制电路和算法，能够更好地反抗干扰和提高信噪比，可以使差动式线圈涡流传感器获得更广泛的实际应用。
总的来说，差动式线圈涡流传感器在将来仍将继续发挥重要的作用，成为浩繁领域的重要技术支撑。
在将来，随着科技的不息进步和人们对高品质、高标准生活的要求不息提升，差动式线圈涡流传感器将会在更广泛的领域发挥作用。
起首，在工业领域中，差动式线圈涡流传感器可以协作机器视觉系统和人工智能技术实现高效的无损检测和检验，进一步提高生产工艺和制品质量。
另外，随着智能制造的进步，差动式线圈涡流传感器将可以与物联网相毗连，实现遥程监测和控制，大大提高生产效率和智能化水平。
其次，在医疗、生命科学和环境保卫等领域中，差动式线圈涡流传感器也有着广泛的应用前景。
例如，在医疗领域中，利用差动式线圈涡流传感器对血糖、血压、呼吸等生理参数进行监测，可以有效预防和诊断疾病。
而在环境保卫方面，该传感器可以检测空气和水污染以及灰尘和噪音等，为人们提供更加安全和健康的环境。
此外，差动式线圈涡流传感器还可以应用于汽车行业，用于监测车辆的安全性能、制动系统、可靠性和节能性等。
同时，在新能源汽车领域也有重要的应用前景，可以实现对电动汽车电池的监测和管理，为汽车的安全性和可持续进步做出贡献。
综上所述，差动式线圈涡流传感器的应用前景广泛，无论是在工业、医疗、生命科学、环境保卫仍是汽车等领域都有着不行替代的作用。
在将来，该传感器将会在新技术新应用的带动下不息进步和完善，为人们创设更加便捷、高效和安全的生活和工作环境。
除了上述应用领域，差动式线圈涡流传感器还可以在航空航天、能源、军事等领域中发挥重要作用。
在航空航天领域中，差动式线圈涡流传感器可以用于监测飞机和航天器的结构毁伤，以及发动机和涡轮机等关键部件的性能状态，实现对飞行安全的保障。
例如，美国航空航天局（NASA）的探究表明，利用涡流传感器可在飞机外壳中监测到微小的结构毁伤，从而准时修复或更换受损零件，保障飞机的安全运行。
在能源领域中，差动式线圈涡流传感器可以用于监测风力发电机的转速和叶片的损坏状况，以及油气管道等能源设施的流量和压力状况，有助于提升能源生产效率和保障能源设施的安全运行。
在军事领域中，差动式线圈涡流传感器可以应用于军用航空器、战车、潜艇等武器装备中，实现对武器装备的性能状态和结构毁伤状况的监测和诊断，提高武器装备的作战能力和保障能力。
由此可见，差动式线圈涡流传感器不仅适用于民用领域，还适用于一些特殊领域，具有宽广的应用前景和进步空间。
随着新技术的不息涌现和差动式线圈涡流传感器技术的不息提升，信任该传感器在各个领域中将有更加广泛和深度的应用。
综上所述，差动式线圈涡流传感器是一种应用广泛的传感器，不仅适用于汽车、铁路、电气等领域，还可以在航空航天、能源、军事等领域中起到重要作用。
随着技术的不息进步和完善，信任这种传感器在将来将得到更为广泛和深度的应用。