5
传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为
2 2 M 2 R2 M 2 L2 RS jLS Z R1 2 j L1 2 2 2 R2 L2 R2 L2
线圈的等效电阻和等效电感分别为
2M 2 R2 R1 R'2 RS R1 2 2 R2 L2 2 2 L L M L2 L1 L'2 1 2 2 S R2 L2
第四章 电涡流传感器
电涡流传感器是一种基于电涡流效应原理的传感器。也是基于 电磁感应原理，属于互感式电感传感器。 最大的特点是能对位移、振动、厚度、温度、电解质浓度、速 度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有结构简 单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大等特 点，应用极其广泛。 因为涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故可分为 高频反射式和低频透射式两类电涡流传感器。前者应用较为广泛。 电涡流效应 二、低频透射式电涡流传感器 一、高频反射式电涡流传感器 三、电涡流式传感器的应用
1. 基本原理
当电感线圈 L通有交变电流 I1 （频率 为f ）时，周围空间将产生交变磁场H1， 此时，置于此磁场中的金属板中将产生 ，此电 感应电动势，从而形成电涡流 I 2 涡流又将产生一个方向相反的磁场H2 。
电涡流的闭合流线的圆心同线圈在 金属板上的投影的圆心重合。
3
涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：
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 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。
8
（2） 调幅式电路 传感器线圈 L 和电容器 C 并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体 振荡电路。石英晶体振荡器起一个恒流源的作用，给谐振回路提供一个稳 定频率（f0）激励电流 i0 ，LC 回路输出电压为
1
电涡流效应
变化着的磁场经过导体块时，导体内就会产生感应电流，该电流 的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。 电涡流的大小是导体的电阻率 ρ 、 相对导磁率 r 、导体厚度 t 、线圈激 励信号角频率ω以及线圈与导体块之 间的距离 x 等参数的函数。若固定某 些参数，就能按涡流的大小测量出另 外某一参数。
当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减 小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得 多，所以电抗减小， 使流过电涡流线圈的电流 i1 增大。
2
一、高频反射式电涡流传感器
1. 基本原理 4. 测量电路 2. 等效电路分析 3. 基本结构 5. 电涡流传感器的特点及灵敏度的影响因素
E MI 金属导体 R1 I1 jL1 I1 j 2 jMI1 R2 I 2 jL2 I 2 0
E E I1 2 2 2 2 M R2 M L2 Z R1 2 j L1 2 2 2 R L R L 2 2 2 2 2 jMR I M I M L2 I 1 1 2 1 j I 2 2 2 R j L R L 2 2 2 2
x M RS x M LS
由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线 圈Q 值下降； （Q ＝ωL/R）
电涡流式传感器等效电路参数均是互感系数M 和电感L1、L2 的函数。 故把这类传感器归为电感式传感器。
6
3. 基本结构
电涡流传感器主要由探头、延长电缆和前置器组成。 探头通常由线圈、骨架、壳体、高频电缆和高频插头组成。
2 R 1.39D 2r 0.525D
式中D ——线圈直径
2R——电涡流区外径； 2r ——电涡流区内径。 h 5000 涡流渗透深度 ρ——金属导体电阻率； f ——交变磁场的频率；
r f
μr ——金属导体相对导磁率。 x ——线圈与金属导体之间的距离；
在金属导体表面感应的涡流所产生的电磁场H2又反作用于线圈L上，力 图改变线圈电感量L的大小，其变化程度与线圈的尺寸大小D、距离x、ρ、 μr等参数有关。如果仅改变一个参数而保持其它参数不变，就可把该参数的 变化转换为电感量L的变化。
U o i0 f Z
式中 Z——LC 回路的阻抗。 当金属导体远离或被去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡 频率f0 ，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。 输出电压经过放大、检波后，由指示仪表直接显示出 x 的大小。
线圈1绕制在用聚四氟乙烯 做成的线圈骨架2内，线圈用多 股漆包线或银线绕制成扁平盘状。 使用时，通过骨架衬套3将整个 传感器安装在支架4上，5、6是 电缆和插头。
7
4. 测量电路
用于涡流传感器的测量电路主要由线圈L和已知电容C组成LC并联谐 振回路，传感器线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生变 化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。有调幅式和调频式两种。 （1）调频式电路 传感器线圈接入 LC 振荡回路，当传感等效电路
电涡流传感器的空心线圈可看作变压器的初级线圈L1 ，金属导体中涡 流回路视作变压器次级L2 。当对线圈L1施加交变激励信号时，则在线圈周 围产生交变磁场，环状涡流L2也产生交变磁场。其方向与线圈L1产生磁场方 向相反，因而抵消部分原磁场，线圈L1和环状涡流L2之间存在互感M，M大 小取决于导体和线圈之间的距离 x 。根据基尔霍夫定律可列出如下方程组 线圈