電感式電渦流

關(guān)于電感式電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流存在趨膚效應(yīng)，即渦流滲透的深度與傳感器激勵(lì)電流的頻率有關(guān)。根據(jù)電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的滲透情況，電渦流傳感器分為：高頻反射式低頻投射式第2頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

4.3.1工作原理第3頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電渦流I2，

I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。第4頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

根據(jù)愣次定律，H2的作用將阻礙原磁場(chǎng)H1

的變化。由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。第5頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的ρ、μ以及幾何形狀有關(guān)，第6頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

還與激磁線圈的幾何參數(shù)、激磁線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，同時(shí)還與激磁線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：第7頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

Z=F(ρ,μ,r,f,x)r為激磁線圈與被測(cè)體的尺寸因子。如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。第8頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。

4.3.2基本特性第9頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流式傳感器簡(jiǎn)化模型

第10頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流可等效為一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)。

第11頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流的軸向貫穿深度h

貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的

1/e

（0.37）處的表面厚度。

f為線圈激磁電流的頻率。

第12頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流式傳感器簡(jiǎn)化模型

第13頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流的等效電路圖。

第14頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

R2為電渦流短路環(huán)等效電阻

第15頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流式傳感器簡(jiǎn)化模型

第16頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第17頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

根據(jù)基爾霍夫第二定律第18頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天ω——線圈激磁電流角頻率；R1——線圈電阻；L1——線圈電感；L2——短路環(huán)等效電感；R2——短路環(huán)等效電阻；M——互感系數(shù)。

第19頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天等效阻抗Z為

第20頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

Req—線圈受電渦流影響后的等效電阻

第21頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為

第22頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

4.3.3電渦流形成范圍

1.電渦流的徑向形成范圍線圈與導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。第23頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)x一定時(shí)，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖4-25所示。第24頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

第25頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。

Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。第26頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天①電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。第27頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

第28頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

②電渦流密度在ri=0處為零。③電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。④可以用一個(gè)平均半徑為 的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。第29頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

第30頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2.電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系當(dāng)x改變時(shí)，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離x的變化而變化。第31頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度第32頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天I1——線圈激勵(lì)電流；I2——金屬導(dǎo)體中等效電流；x——線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；ras——線圈外徑。

第33頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線第34頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度第35頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

①電渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。②當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。

第36頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度第37頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線第38頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3.電渦流的軸向貫穿深度

貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的

1/e

處的表面厚度。由于金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，電磁場(chǎng)不能穿過(guò)導(dǎo)體的無(wú)限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)。第39頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強(qiáng)度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。第40頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天d——金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離；

Jd——沿H1軸向d處的電渦流密度；

J0——金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；

h——電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。

第41頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電渦流密度軸向分布曲線

第42頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天電渦流密度主要分布在表面附近。

被測(cè)體電阻率愈大，相對(duì)導(dǎo)磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則h愈大。

第43頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

4.3.4電渦流傳感器測(cè)量電路測(cè)量電路的種類：調(diào)頻式調(diào)幅式。第44頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1.調(diào)頻式電路第45頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

調(diào)頻式測(cè)量電路(a)測(cè)量電路框圖；(b)振蕩電路

第46頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第47頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第48頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化。將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x)。該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)f—V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。第49頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

振蕩器電路如圖(b)所示。它由克拉潑電容三點(diǎn)式振蕩器(C2、C3、L、C和Ｖ1)以及射極輸出電路兩部分組成。第50頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第51頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第52頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。

此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對(duì)振蕩頻率f的影響將大大減小。第53頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2.調(diào)幅式電路第54頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天調(diào)幅式測(cè)量電路示意圖

第55頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成振蕩電路。

石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io。

第56頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天LC回路輸出電壓

Z為L(zhǎng)C回路的阻抗。

第57頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天調(diào)幅式測(cè)量電路示意圖

第58頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo

回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧。第59頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。輸出電壓經(jīng)放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。除此之外，交流電橋也是常用的測(cè)量電路。第60頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

4.3.5渦流式傳感器的應(yīng)用

1.低頻透射式渦流厚度傳感器

2.高頻反射式渦流厚度傳感器

3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器第61頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.低頻透射式渦流厚度傳感器第62頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

第63頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在被測(cè)金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測(cè)金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通φ1，第64頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

若兩線圈間無(wú)金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。第65頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，L1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流,并將貫穿金屬板。此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為φ1′，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。第66頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度。第67頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

透射式渦流厚度傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1～100mm，分辨率為0.1μm，線性度為1%。第68頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.高頻反射式渦流厚度傳感器

第69頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)圖

第70頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過(guò)程中上下波動(dòng)的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。若帶材厚度不變，則被測(cè)帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)。第71頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測(cè)帶材厚度改變量為Δδ，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè)Δδ，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2Uo±ΔU。第72頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天

ΔU經(jīng)放大器放大后，通過(guò)指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。第73頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天