1、4-1 电涡流式传感器的工作原理一、基本原理 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。涡电流 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。抗阻,1ItxrFZ 电感,2ItxrFL 品质因数,3ItxrFQ 为频率为电流为贯穿深度为距离为半径为电导率为磁导率,Itxr二、等效电路分析将涡电流等效为一个短路环，则等效电路为：由克希霍夫定律，得：02222121111ILjIRIMjUIMjILjIR1L2L式中，R1，L1
2、_为线圈电阻、电感；R2，L2_ 金属导体的电阻和电感M_互感系数ZULLRMLjRLRMRUI22222221222222211解：222212222212112222121222212111)1()1(ZMRRZMLLRLZMRRRZMLLLRLQ记2222222222ZMLRM线圈等效阻抗：222221222221)(ZMLLjZMRRZ线圈等效电阻线圈等效电感圈的品质因数：2Z金属导体中产生的涡电流环的阻抗Q0无涡流影响（4）由于涡流损耗能量，使线圈阻抗的实数部分增加，导致品质因数值下降(与金属材料的导磁性无关)。xFQxFLxFZ3211,讨论（1）阻抗、电感、品质因数都与互感系数M
3、有关。M与x为非线性关系，x ,M ，所以：（2）若被测体为磁性材料，则x减小，有效磁导率增大，于是L1也增大；若被测导体为非磁性材料，有效磁导率与x无关，于是L1=const.;（3）由于涡电流的存在，使得等效电感L减小，而且，x减小，L也减小越多；222221ZMLLL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：2122121111xrIrxxIIosos为线圈激励电流1I为间距x为线圈外半径osr4-2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及半径的有限范围内形成。12IIrxos15.005.0osrx1 1、电涡流随轴向距离x的增
4、加而迅速减小；即：讨论2、为了获得较强的电涡流效应，应保证：1osrx一般：212111xrIIos一种简化的模型如图。导体假设只有一个环，而环中的电涡流密度（电流/单位面积）是半径的函数：osoosorrrevjrrevjj114141440,osrrv 度时，电涡流（最大）密为1vjo二、涡电流的径向形成范围被测金属线圈外半径线圈内半径。或当：最大电流密度，当：0,0;,0jrrjjrrros525.0osirr89.1osorr线圈结论讨论525.0osirr89.1osorr1、当 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
5、的孔径为 ；3、当 （称“有效外径”时，电流密度衰减到最大值的5）osrr)(525.0iosrrr)(89.1oosrrroj金属表面涡流密度（即最大电流密度）；趋肤深度（轴向贯穿深度）；ejjot在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为：三、电涡流的轴向贯穿深度由于“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：txoxejj金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度；xj“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。则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。贯穿深度值可由下式计算：,5030fftrro导体电阻率
6、；r相对磁导率；f激励频率（1）贯穿深度与被测体的材料有关；（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。讨论）（mH/10470(cm)4-3 电涡流传感器的设计一、线圈的形状和大小在线圈中，取单匝载流圆导线，在其轴上的磁感应强度：232220)(2rxrIBpbsrosdrrisBpxrx传感器线圈在轴上的磁感应强度rdxp23222232220)()(2rxrKrxrIBp讨论p半径较小处（r）,则越接近（线圈）导线（x），磁感应强度越大（Bp）；p而在远离（线圈）导线的地方（x ）,则半径大的地方（r ），磁感应强度大（Bp）。K=36*10-10（
7、激励电流不变）考虑扁平导线，单位面积上的电流密度：sisosbrrNIj)(取通过截面积为dxdr处的圆形电流：dxdrbrrNIisisos)(此电流在轴上x处所产生的磁感应为：dxdrbrrNrxrIrxridBsisosp)()(2)(2232220232220则，整个载流扁平线圈在x处所产生的总的磁感应强度：dxdrrxrbrrNIdBBosisrrxxsoiospp 21232220)()(222222222ln)()(ln)()(2xrrxrrxbxrrbxrrbxbrrNIBososisissosossisisssisosop1、线圈外径越大，线圈的磁场轴向分布范围（即线性范围）
8、越大，但是磁感应强度的变化的梯度（即灵敏度）越小；反之亦然。2、线圈内径的变化对线性范围和灵敏度影响不大。3、线圈厚度的变化对线性范围和灵敏度影响不大。讨论线圈外径影响线圈内径影响线圈厚度影响44被测体材料形状和大小的影响一、被测体材料的影响被测体材料影响传感器线圈的阻抗影响灵敏度1、被测体电导率线圈等效阻抗 R电涡流 2I灵敏度 2、非磁性体比磁性体的测量灵敏度高：222222221LRMLLL即变化不大ALLLALx211磁性材料灵敏度低。；磁性体导磁率引起变化1L涡流效应引起变化 L线圈的等效电感3、若被测体表面有镀层且不均匀，则当激励频率 f使趋肤深度 t，干扰影响强烈。A二、被测体大
9、小形状的影响为了充分地有效利用电涡流效应，被测体的大小、形状应不影响电涡流形成的有效范围。否则灵敏度下降。(1)被测体的面积要求线圈面积圆柱体被测体直径线圈直径的3.53.5倍以上。(2)厚度要求0.2mm 525.0osirr89.1osorr三、被测体周围磁场对测量的影响(2)测量非磁性材料时，周围的磁场对测量无影响。(3)而测量磁性材料时，周围的磁场若方向，则对测量有影响。(1)传感器线圈周围，除被测导体外，应尽可能避开其他导体。有影响无影响四、传感器安装对测量的安装传感器线圈（未加屏蔽时）与非被测金属之间，至少需要相距一个线圈的直径大小传感器壳体（非被测金属）被测体一、电桥电路（阻抗变
10、换电路）两个传感器线圈差接与21LL222111/,/CLZCLZ01221uRZRZ电桥输出平衡时：当被测体与线圈耦合时，xfZ 电桥失衡 0u经放大桥波输出 45 测量电路用于差动式电涡流传感器如图两个涡电流传感器组成差动结构L1L2二、谐振法：谐振频率CxLfo)(21谐振时，回路的阻抗最大：CRLZoZZZfffLLLoooo时，当将线圈电感与固定电容并联成谐振电路。RR回路的等效损耗电阻当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率也发生变化。可以通过测量回路中阻抗或谐振频率的方法即可以间接反映传感器的测量值；测量方法：调幅法和调频法。46 其它形式的电涡流传感器u1u2L1L2h低频电涡流测厚仪发射线圈接收线圈原理：接收线圈L2上的感应电动势大小u2与被测材料的厚度h按负指数幂规律减小t1t2t3t1 t2 t3u2hfttheu247 电涡流传感器的应用电涡流传感器的外形：电涡流传感器的特性：电涡流传感器的应用：
