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1、在金属导体内产生的涡流存在趋肤效应，即涡流渗透的深度与传感器激励电流的频率有关。根据电涡流在导体内的渗透情况，电涡流传感器分为：高频反射式低频投射式,4.3.1 工作原理,传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时， 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1， 使金属导体产生感应电涡流 I2 ， I2 又产生新的交变磁场 H2 。,根据愣次定律，H2的作用将阻碍原磁场 H1 的变化。 由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。,由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。 电涡流效应既与被测体的、以及几何形状有关，,还与激磁线圈的几何参数、激磁线圈中激磁
2、电流频率 f 有关，同时还与激磁线圈与导体间的距离 x 有关。 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关系式为 ：,Z=F (, r, f, x) r 为激磁线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数。,通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z 的变化量，即可实现对该参数的测量。 4.3.2 基本特性,电涡流式传感器简化模型,在被测金属导体上形成的电涡流可等效为一个短路环， 即假设电涡流仅分布在环体之内。,电涡流的轴向贯穿深度 h 贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的 1/e （0.37）处的表面厚度。,
3、f 为线圈激磁电流的频率。,电涡流式传感器简化模型,电涡流的等效电路图。,R2为电涡流短路环等效电阻,电涡流式传感器简化模型,根据基尔霍夫第二定律,线圈激磁电流角频率； R1线圈电阻；L1线圈电感；L2短路环等效电感； R2短路环等效电阻；M互感系数。,等效阻抗 Z 为,Req线圈受电涡流影响后的等效电阻,线圈的等效品质因数Q值为,4.3.3 电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围 线圈与导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离 x 的函数，又是沿线圈半径方向 r 的函数。,当 x 一定时，电涡流密度 J 与半径 r 的关系曲线如图4-25所示。,电涡流密度J与半径r的关系曲线,J0
4、为金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值。 Jr为半径 r 处的金属导体表面电涡流密度。, 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。,电涡流密度J与半径r的关系曲线, 电涡流密度在 ri=0 处为零。 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。 可以用一个平均半径为 的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。,电涡流密度J与半径r的关系曲线,2. 电涡流强度与距离的关系 当 x 改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离 x 的变化而变化。,金属导体表面的电涡流强度,I1线圈激励电流； I2金属导体中等效电流； x线圈到金属导体
5、表面距离； ras线圈外径。,电涡流强度与距离归一化曲线,金属导体表面的电涡流强度, 电涡流强度与距离 x 呈非线性关系，且随着 x/ras 的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在 x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。,金属导体表面的电涡流强度,电涡流强度与距离归一化曲线,3. 电涡流的轴向贯穿深度 贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的 1/e 处的表面厚度。 由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内。,导体中产生的电涡流强度随导体厚度的增加按指数规律下降。,d金属导体中某一点与
6、表面的距离； Jd沿 H1 轴向 d 处的电涡流密度； J0金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值； h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。,电涡流密度轴向分布曲线,电涡流密度主要分布在表面附近。,被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则 h 愈大。,4.3.4 电涡流传感器测量电路 测量电路的种类： 调频式 调幅式。,1. 调频式电路,调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路,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 (
7、x) 。 该频率可由数字频率计直接测量， 或者通过 fV 变换，用数字电压表测量对应的电压。,振荡器电路如图(b)所示。 它由克拉泼电容三点式振荡器( C2、C3、L、C 和1 )以及射极输出电路两部分组成。,为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将 L、C 装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3 上，因而对振荡频率 f 的影响将大大减小。,2. 调幅式电路,调幅式测量电路示意图,传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成振荡电路。 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 io 。,LC 回路输出电压,Z为 LC 回路的阻抗。,调幅式测量电路示意图
8、,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 fo 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。 输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出 x 的大小。 除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。,4.3.5 涡流式传感器的应用 1.低频透射式涡流厚度传感器 2.高频反射式涡流厚度传感器 3. 电涡流式转速传感器,1.低频透射式涡流厚度传感器,透射式涡流厚度传感器结构原理图,在被测金属板的上方设有发射传感器线圈 L1 ，在被测金属板下方设有接收
9、传感器线圈 L2 。 当在 L1 上加低频电压 U1 时，L1 上产生交变磁通1，,若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2 。,将被测金属板放入两线圈之间，L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流, 并将贯穿金属板。 此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2 产生的感应电压U2下降。,金属板越厚，涡流损失就越大，电压 U2 就越小。 因此，可根据 U2 电压的大小得知被测金属板的厚度。,透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1100 mm， 分辨率为 0.1m， 线性度为 1%。,2.高频反射式涡流厚度传感器,高频反射式涡流测厚仪测试系统图,为
10、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 。 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。,两传感器的输出电压之和为 2Uo ，数值不变。 如果被测带材厚度改变量为，则两传感器与带材之间的距离也改变一个，两传感器输出电压此时为2UoU。,U 经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。,3. 电涡流式转速传感器,电涡流式转速传感器工作原理图,在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。,由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d 的变化而变化，从而导致振荡回路的Q发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。 随着输入轴的旋转，振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。,该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出频率为 fn 的脉冲信号。 该信号经电路处理便可得到被测转速。,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600 000 r /min。,作业 P.85 410,
