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1、1,3.7 电涡流式传感器,3.7.1 工作原理,图3-22 电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体,金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体转圈，这种现象称为涡流效应。,2,线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号 i1 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,3,Z=F(,r,f,x),(3-40),式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。,4,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
2、现对该参数的测量。,Z=F(,r,f,x),5,涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。它的变换量可以是位移，也可以是被测材料的性质，其应用大致有下列四个方向：1）利用位移作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；2）利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器；3）利用导磁率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；4）利用变换量、等的综合影响，可以做成探伤装置等。,6,3.7.2 基本特性,图3-23 电涡流式传感器简化模型,7,电涡流传感器简化模型如图3-23所
3、示。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，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：,(3-41),式中,f为线圈激磁电流的频率。,8,图3-24 电涡流式传感器等效电路图,9,根据简化模型，可画出如图3-24所示的等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为,(3-42),根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：,(3-43),10,式中：线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；R2短路环等效电阻；M互感系数。,11,由式（3-43）解得等效阻抗Z的表达式为,(3-44),式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电
4、阻,12,Leq线圈受电涡流影响后的等效电感,线圈的等效品质因数Q值为,综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路，运用电路分析的基本方法得到的式（3-44）和式（3-45），为电涡流传感器基本特性表示式。,(3-45),13,3.7.3 电涡流形成范围 1.电涡流的径向形成范围 线圈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3-25所示（图中J0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）。由图可知：,14,图3-25 电涡流密度J与半径r的关系曲线,15,电
5、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）。,16,2.电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，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。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为,(3-46),式中：I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。,17,图3-26 电涡流强度与距离归一化曲线,18,根据上式作出的归一化曲线如
6、图3-26所示。以上分析表明：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。,19,3.电涡流的轴向贯穿深度 所谓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，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：,(3-47),20,式中：d金属导体中某一点与表面的距离；Jd沿H1轴向d处的电涡流密度；J0金属导
7、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）。图3-27所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。由前面分析所得的式（3-41）可知，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，则电涡流贯穿深度h愈大。故透射式电涡流传感器一般都采用低频激励。,21,图3-27 电涡流密度轴向分布曲线,22,3.7.4 电涡流传感器测量电路 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。1.调频式电路,图3-28 调频式测量电路(a)测量电路框图；(b)振荡电路,23,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
8、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。振荡器电路如图4-28(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。振荡器的频率为,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。,24,2.调幅式电路 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如图3-29所示。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（
9、f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压,（3-48）,式中,Z为LC回路的阻抗。,25,图3-29 调幅式测量电路示意图,26,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。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。除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。,27,28,图3-30 透射式涡流厚度传感器结构原理图,29,2.高频反射式涡流厚度传感器,图3-31 高频反
10、射式涡流测厚仪测试系统图,30,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。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。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。,31,3.电涡流式转速传感器 图3-32所示为电涡流式转速传感器工作
11、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。,图3-32 电涡流式转速传感器工作原理图,32,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，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从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 rpm。,33,环形电感式传感器电子接近开关,习 题,第三章13题（pp6566）,
