第6次课 电涡流式传感器.docx
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第6次课电涡流式传感器
第6次课2学时
上次课复习：
上次课讲述了自感式传感器和互感式传感器的工作原理、基本特性、测量电路以及它们的一些应用。
自感式传感器主要有变磁阻式传感器（包括变间隙式和变面积式）。
互感式传感器主要有差动变压器式传感器（其中包括变隙式差动变压器、螺线管式差动变压器）。
本次课题（或教材章节题目）：
第4章电感式传感器
4.3电涡流式传感器
教学要求：
本章学习电涡流传感器的原理、基本特性、电涡流的形成范围、结构和种类、测量电路及其应用。
重点：
电涡流传感器的原理及应用
难点：
电涡流传感器的原理
教学手段及教具：
多媒体课件讲授
讲授内容及时间分配：
4.3电涡流式传感器
4.3.1工作原理25分钟
4.3.2基本特性10分钟
4.3.3结构和种类10分钟
4.3.4电涡流形成范围10分钟
4.3.5测量电路10分钟
4.3.6电涡流的应用25分钟
课后作业
p86，4-8、4-9、4-10
参考资料
金发庆.传感器技术及应用.北京：
机械工业出版社，2004.
魏永广，刘存.现代传感技术.沈阳：
东北大学出版社，2001.
注：
本页为每次课教案首页
4.3电涡流式传感器
当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体中将引起电涡流，可以利用涡流效应把距离的变化转换为电量的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；也可以利用涡流效应把电导率的变化转换为电量的变化，做成表面温度、电介质浓度等传感器；还可以利用它把磁导率的变化转换为电量的变化，做成应力、硬度等传感器。
这种传感器具有非接触测量的特点，而且还具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单及安装方便等优点，因此广泛用于工业生产和科学研究的各个领域。
4.3.1电涡流效应
图4.3-1电涡流效应原理
如图4.3-1所示，在一个金属导体上方放置一个扁平线圈，当线圈中通入交变电流I1时，线圈的周围空间就产生了交变磁场H1，如将导体置于此磁场范围之内，则金属导体中将产生感生电流I2。
此电流的流线在导体中是闭合的，呈旋涡状，通常称为电涡流。
而此电涡流也将产生交变磁场H2，它的方向与磁场H1方向相反，由于磁场H2的反作用便导电线圈的有效阻抗发生变化，这种线圈阻抗变化反映了导体的涡流效应。
显然，线圈阻抗的变化不但与电涡流效应有关，还与金属导体的电导率ρ、磁导率μ、几何形状、线圈的几何参数、激励电流以及线圈到金属导体的距离等参数有关。
假设金属导体是匀质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈与金属导体系统的物理性质通常可由磁导率μ、电导率ρ、尺寸因子r、距离d、激励电流强度I和频率ω等参数来描述，线圈的阻抗Z可用如下函数表示为
Z=F（d，I，r，ρ，μ，ω）（4.3-1）
如果控制上式中的某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，阻抗就成为这个参数的单值函数。
通常是固定I，r，ρ，μ，ω不变，使阻抗Z成为距离d的单值函数。
这就是电涡流传感器所依据的基本原理。
利用这些关系可用来测量与距离d有关的参数，例如位移、振动、厚度、尺寸等等。
假如把传感器与被测体间的距离d保持不变，则传感器的输出值将与被测体材料电导率、磁导率成函数关系，利用这关系可以用来测量金属材料的电导率、磁导率、硬度等参数，以检测裂纹。
在电涡流检测中，传感器的阻抗特性可以分成三种，即
（一）空载阻抗特性
空载阻抗特性：
没有任何导体与传感器偶合时的阻抗。
图4.3-2传感器空载时的等效电路
当传感器处于自由空间，不与导体相偶合的情况时，即为空载特性状态，这是传感器调试时的一种原始状态。
空载时，传感器可以画成如图4.3-2所示的等效电路，图中L1为线圈的自感系数，R1为线圈的损耗电阻，C为并联电容，Rs为电容的损耗电阻、振荡器输出电阻和传感器的输入电阻。
为了简化讨论，可仅用虚线内的R1、L1来描述传感器的阻抗特性。
传感器空载时的阻抗Z可用下式表示：
（4.3-2）
从式（4.3-2）可见，它具有矢量的特性，其阻抗的幅值为
，Z0与实轴的夹角
称为阻抗Z0的相角。
（二）一次阻抗特性
一次阻抗特性：
已知物理性质的被测物体与传感器间的阻抗，即被测体的材料一定时，它与传感器间位置变化时的阻抗特性。
通有交流电流的传感器线圈靠近金属导体时，将引起金属导体表面层的交变电涡流。
完全可以把电涡流路径的包络视为单匝线圈，此线圈会有自己的阻抗特性．它可以用Z2=R2+j
L2表示。
其中R2的大小取决于电涡流路径的几何尺寸和金属导体的电阻率，L2的大小则取决于电涡流路径的几何尺寸等。
在传感器附近引入了金属导体后，可以用互感量M来表征传感器与金属导体的偶合松紧程度。
这样，可以用等效电路来导出传感器的一次阻抗特性。
（三）二次阻抗特性
二次阻抗特性：
未知物理性质的被测物体与传感器偶合时的阻抗，即为不同性质的被测材料与传感器间的阻抗特性。
在电涡流检测技术中，不仅希望解决几何量与传感器输出量间的关系，还希望能检测出金属的物理和化学性质有关的参数（例如电导率、硬度）以及缺陷的检测，因此还要研究传感器的二次阻抗特性。
4.3.2等效电路
图4.3-3电涡流传感器的等效电路
把金属导体形象地看作一个短路线圈，它与传感器线圈有磁穗合，于是，可以得到图4.3-3所示的等效电路图。
显然，由图可见，它可以归类为电感式传感器。
图中，R1和L1为传感器线圈的电阻和电感，R2和L2为金属导体的电阻和电感，E为激励电压，M为互感系数。
根据克希荷夫定律及所设电流正方向，可以写出方程组
由此方程组联立求解可以得到线圈的等效阻抗为
Z=
+
（4.3-3）
线圈的等效电感为
L=L1－L2
（4.3-4）
由式（4.3-3）可见，由于电涡流的影响，使阻抗的实数部分增大，虚数部分减小。
式（4.3-4）中第1项门与静磁效应有关，线圈与金属导体构成一个磁路，其有效磁导率取决于此磁路的性质。
当金属导体为磁性材料时，有效磁导率随导体与线圈距离的减小而增大，于是L1增大；当金属导体为非磁性材料时，则有效磁导率与导体及线圈的距离无关，即L1从不变。
式中第2项与电涡流效应有关，电涡流产生的磁场与原磁场方向相反，它使传感器的等效电感值减小。
间距与被测物体的材料都将影响传感器线圈的等效电感。
4.3.3电涡流传感器的结构
电涡流传感器的结构形式比较简单，其主要元件由线圈和框架组成。
从线圈来讲，形状大多为扁平的，可分单线圈和双线圈两种；框架形状则以被测的对象而定，有圆柱形、环形等。
图4.3-4为CZF-3型涡流传感器，它采用线圈粘贴的形式，线圈框架采用陶瓷，外面用聚酰亚胺套筒罩住。
图4.3-4CZF-3型传感器结构图
1-壳体；2-框架；3-线圈；4-保护套；5-填料；4.3-螺母；7-电缆
在电涡流传感器中，主要的元件是线圈，它的形状和尺寸关系到传感器的灵敏度和测量范围。
对于测量以位移为基本量的传感器，一般希望有大的线性测量范围和高的灵敏度，而两者要同时达到往往是比较困难的，所以在设计、选用传感器时应根据实际测量要求来满足其主要性能。
要使传感器有一个大的线性范围，传感器载流线圈的磁场轴向分布范围要大，即线圈外径要大；欲使传感器灵敏度高，则需要使被测体在轴向移动时涡流损耗功率变化要大，即线圈外径要小；因为半径小的载流线圈轴向磁场改变得快，在外径一定时就要求线圈愈薄愈好。
4.3.4电涡流传感器的工作原理
根据电涡流传感器激励频率的高低，可以分为高频反射式和低频透射式两大类。
1.高频反射式电涡流传感器
高频反射式电涡流传感器结构比较简单，其核心部分是由一个安装在框架上的扁平圆形线圈构成，称为电涡流探头。
此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。
一般放在传感器端部。
图4.3-5CZF1型电涡流传感器结构简图
图4.3-5所示为CZF1型涡流传感器的结构简图，它就是采取将导线绕在聚四氟乙烯框架槽沟内，形成线圈的结构方式。
当高频信号施加于电感线圈上，线圈产生的高频于被测金属板的表面，由于趋肤效应，高频磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用在表面的薄层上，形成电涡流。
此电涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，从而改变了电磁场作用感的大小。
此电感量主要决定于线圈与金属板的距离，因而通过测量电感的变化可以知道电涡流探头与金属板之间距离的变化。
2.低频透射式电涡流传感器
图4.3-6低频透射式电涡流传感器原理图
低频透射式电涡流传感器是采用低频激励，贯穿深度较大，适用于测量金属材料的厚度。
图4.3-6为低频透射式电涡流传感器的工作原理图。
传感器包括发射线圈L1和接收线圈L2，其分别位于被测材料的上、下方。
振荡器产生的低频电压ul加到发射线圈L1的两端，使其产生一个交变磁场。
如果两线圈之间没有被测材料，则此磁场将直接贯穿L2，感生出交变电势u2，如果线圈的匝数、结构以及两者相对距离等参数是确定的，则u2是一个确定值。
当在L1和L2之间放置一块金属板后，L1产生的磁力线必然穿过金属板，并在其中产生涡流。
此涡流消耗了部分磁场能量，使达到L2的磁场减弱，从而使u2减小。
显然，金属板的厚度δ越大，电涡流消耗越大，则u2越小。
因此u2的大小间接地反映了金属板的厚度。
理论和实验证明：
激励频率较高时，线性不好，但当δ较小时灵敏度高；激励频率较低时，线性好，测量范围大，但灵敏度低。
为使仪器具有较宽的测量范围与较好的线性，应选择较低的激励频率，通常选择lkHz左右。
在厚度较小时，可选择较高的频率，厚度较大时，可选择较低的频率。
此外，还发现当频率一定时，如果被测材料的电阻率不同，则贯穿深度也不同，于是u2也不同。
为使测量不同电阻率材料所得曲线形状相近，也要相应改变频率。
对电阻率较小的材料，选用较低的频率（500Hz左右）；对电阻率较大的材料，选用较高的频率（2kHz左右）。
从而保证传感器在测量不同材料时有较好的线性度和灵敏度。
4.3.5测量电路
根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离转换为传感器的Q值、等效阻抗Z及等效电感L3个参数，并用相应的测量电路来测量。
电涡流传感器的测量电路通常采用电桥电路和谐振电路。
1．电桥电路
电桥电路是较常用的一种简便方法。
通常是把线圈的阻抗作为电桥的一个桥臂，也可以用两个相同的电涡流线圈组成差动电桥。
在初始状态时，便电桥平衡，在测量时由于线圈阻抗发生变化，使电桥失去平衡，其输出电压的大小可反映被测量的变化。
电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。
2．谐振电路
在谐振电路中，通常采用一个电容与电涡流线圈并联，构成并联谐振LC回路。
其谐振频率为
f0=
在没有被测导体时，传感器调谐到某一谐振频率元。
当与被测导体接近时，回路将失谐。
当载流频率一定时，传感器LC回路的阻抗变化既反映了电感的变化，又反映了Q值变化。
发生谐振时回路的等效阻抗最大，可以利用测量回路阻抗改变的方法确定被测值的大小。
下面介绍两种常用的测量电路，即恒定频率调幅式（也称为定频测距式）和调频调幅式（也称为调频测距式）。
图4.3-7谐振测量电路原理
图4.3-7（a）所示为定频测距式测量电路的原理图，其中传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。
它与电容构成基本电路元件。
振荡器的输出信号经电阻R加到传感器上。
振荡器的作用是将位移变化引起的振荡回路阻抗的变化转化为高频载波信号的幅值变化。
当没有被测导体时，回路谐振于f0，此时阻抗值最高，对应的输出电压U0最大。
当被测导体接近传感器线圈时，电感线圈L感应的高频电磁场作用于被测导体，由于表面的涡流反射作用，使电感量L变小，回路失谐，从而改变了检波电压的大小。
L值随距离x的增加（或减少）而增加（或减少）。
因此通过对输出电压的测量，就可以确定距离x的大小。
图4.3-7（b）所示为调频测距式测量电路的原理图。
它通过位移的变化弓起传感器线圈电感的变化，从而导致振荡频率的变化，并以频率变化作为输出量。
因此，电涡流传感器线圈在这个电路的振荡器中是作为一个电感元件接在电路中的。
测量频率可以直接用频率计，也可以通过鉴频器将频率转换为电压来测量。
使用这种调频式测量电路，传感器输出电缆分布电容的影响不能忽视，它将使振荡器振荡频率发生变化，从而影响测量结果。
为此可把电容和线圈都装在传感器内，这时电缆上分布电容的影响并联到了大电容C上，对振荡频率的影响大大减小。
因此，应尽量将传感器靠近测量电路，以使分布电容的影响更加减小。
4.3.6被测体对测量的影晌
在使用电涡流传感器时，应该特别注意被测体材料对测量的影响。
因为线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一组成部分则是被测导体，因而线圈阻抗的变化还与被测体的材料、形状和大小有关。
从式（4.3-3）可知，在测量过程中静磁效应与电涡流效应对传感器等效阻抗虚部的改变是相互制约的。
因此，当被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度比被测体是磁性材料要高；当被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值，因而灵敏度要根据具体情况确定。
一般情况下，被测体导电率越高，灵敏度越高，在相同量程下，其线性范围越宽。
此外，被测体的形状和大小对测量也有影响。
当被测体的面积比传感器检测线圈面积大很多时，传感器灵敏度基本不发生变化；当被测体的面积为传感器检测线圈面积的一半时，其灵敏度减少一半；更小时，灵敏度则显著下降。
为了充分利用电涡流效应，当被测体是圆环时，它的直径必须为线圈直径的1.8倍以上；当被测体是圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的3.5倍以上。
这样才可保持灵敏度基本不变，且不会影响测量结果。
但当直径相等时，灵敏度下降至70%。
此外，被测体的厚度一般需要在0.2mm以上才不影响测量结果。
测量时还须注意，在传感器线圈和被测体周围，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起测量误差。
4.3.7电涡流传感器应用
由于电涡流传感器具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强以及非接触测量等显著优点，可广泛应用于工业、国防和科学研究的各个领域。
它可用于测量位移、振动、厚度、速度、应力、硬度及损伤等。
在非接触式测量方法中，用得多的是电感传感器和电容传感器。
电感传感器虽然使用可靠，但是体积大，测量的线性范围小；电容传感器的体积小，灵敏度高，但测量的范围小，测量时易受介质和电磁场的影响，在某些现场使用有困难。
电涡流传感器由于有测量的线性范围大、灵敏度高、结构简单、不受油污等介质影响、抗干扰能力强等优点，而得到广泛应用，现已经在机械、电力、交通、航空、原子能、化工、石油、纺织等很多部门用来作为自动测试仪器或作为动力机械的监视控制装置。
电涡流传感器可测量的参数，根据其作用原理，可分为两大类：
一类是以位移为基本量的机械参数的测量，如位移、厚度、尺寸、振动、压力、转速等；另一类是以被测体材料的电导率为基本量的物理量性质参数的测量，如电导率、磁导率、温度、硬度、裂纹等。
本节仅就主要应用加以介绍。
（一）位移测量
电涡流传感器根据其工作原理，测量的基本量是位移，所以它的基型就是一只位移传感
器。
在汽轮机运行中，都需要用位移传感器来测量主轴的轴向位移，因为汽轮机在启动和运行中，如果汽轮机转子的轴向推力增大，使推力轴承过负荷，破坏油膜，便可导致推力轴承的轴瓦烧坏。
此时，转子就要发生前后窜动，导致轴的轴向位移增大。
这样，汽轮机内部运动部件与静止部件之间的轴向间隙将减小甚至消失，使动静部件发生摩擦和碰撞，导致曲轴弯曲，造成严重的损坏事故。
为了防止事故的产生，一般汽轮机都设置了轴向位移的监视与保护装置。
图4.3-8汽轮机转子轴向位移
图4.3-8为电涡流传感器用于汽轮机轴向位移的监示系统示意图，电涡流传感器装在机壳上，与转子轴端面保持一定初始距离，当汽轮机转子轴产生轴向位移时，将改变转子轴端面与传感器间的距离，这时传感器的输出值将产生相应的变化，从仪表的指示值，可以知道转子轴轴向位移的大小。
当位移值超过规定允许值时，传感器的输出电压通过仪表的报警电路，可发出报警信号，在保护系统中，当位移值达到危险值时，仪表可控制停止汽轮机运行。
图4.3-9线胀系数测量原理图
1-热电偶；2-管形炉；3-金属试件；4-石英管；5-金属片；6-传感器；7-前置器；8-指示仪；9-X-Y仪
图4.3-9为用电涡流传感器测量线胀系数的装置示意图。
在装金属试件的石英管4的端部贴了一片金属片5，当炉温上升时，金属试件3轴向膨胀，推动石英管外移，使其端部与电涡流传感器6间的距离减小，由指示仪表可知道线胀系数值。
如果炉子的温度用热电偶测量，那么从某一变化温度范围内测得膨胀值，可算出每变化1℃的膨胀值，这就是被测金属的线胀系数。
如果把热电偶的输出电压接至X-Y函数记录仪的X轴输入端，而把电涡流位移传感器的输出经过测量、放大后的电压值接X-Y仪的Y轴输入端，这样在炉子升、降温过程中，就可自动记录下温度——位移曲线，根据曲线的斜率就可得到被测材料的线胀系数。
（二）厚度测量
在冶金工业中，希望在生产过程中用无接触法测量金属板的厚度，非金属板镀层的厚度，以及导体表面非导体镀层厚度。
图4.3-10电涡流测厚
用电涡流传感器测厚，最简单的方法可在板材附近安装一电涡流传感器，如图4.3-10所示，当金属板厚度变化时，将使金属板与传感器间的距离X改变，这就引起传感器输出信号作相应的变化。
如果板底面到传感器的距离X，是已知的，那么金属板厚度t=X1一X。
图4.3-11涡流测厚仪原理方框图
在实际测量中，金属板会上下波动，这将影响测量精度。
为了克服金属镀层厚度的不均匀和板材不够平整的影响，常在板的上、下两侧对称地放置两个特性相同的电涡流传感器来进行测量，如图4.3-11所示。
传感器L1和L2与被测板上、下表面的距离分别为X1和X2（一般为X1=X2=X0，其输出电压为V1和V2。
若板厚t不变，被测板虽上下移动，但X1+X2为一定值2X0,所以两传感器输出电压之和V1+V2也总等于2V0，如果被测板厚变化了
，那么X1+X2＝2X0士
，因而
，
V即表示板厚变化量
的输出电压值。
如果采用的比较电压为2V0，那么V2与比较电压相减后即可得到偏差值
V，此值可用指示仪表直接指示出来。
（三）液位测量
图4.3-12电涡流液位计原理
1-电涡流传感器；2-浮子；3-容器
用电涡流传感器测量液位的示意图如4.3-12所示。
如果要测的液体本身是导电的金属溶液，那么就不用浮子。
图4.3-13电涡流钢水液位计
目前在冶金工业中，都是以连续铸造过程代替以前的钢锭造块，这样可大幅度节约能源提高劳动生产率。
在连续铸造中，关键是精确地测量槽模内的液位，并把液位控制在一定位置，图4.3-13就是电涡流钢水液位计。
由于传感器是在高温条件下测量的，因此，传感器线圈采用空心水冷结构，并在线路中采用温度补偿，以保证测量钢水液位精度。
（四）转速测量
图4.3-14转速测量
在一个旋转体上开一条或数条槽［图4.3-14（a）、（c）］或者做成齿轮状［图4.3-14（b）］，旁边按装一个涡流传感器，当旋转体转动时，涡流传感器将周期地改变输出信号，此电压信号经放大、整形后，可用频率计指示出频率值，此值与槽数和转速有关：
式中f－频率值Hz；
n—旋转体的槽（齿）数；
N—被测轴的转速，r/min。
在航空发动机等试验中，常需测得轴的振幅与转速的关系曲线，如果把转速计的频率值经过一个频率-电压转换装置接入X-Y函数记录仪的X轴输入端，而Y轴输入端接入与振幅对应的电压信号，这样利用X-Y函数记录仪便可直接绘出转速-振幅关系曲线。
如图4.3-15所示。
与电涡流转速计相似，可以用电涡流传感器在生产自动线中对金属零件进行计数。
图4.3-15振动－转速特性测试
1-转速涡流传感器；2-振动涡流传感器；3-前置器；4-指示仪；5-f/v转换器；6-X-Y记录仪
（五）电导率及温度测量
电导率是用电涡流传感器测金属材料物理性质的一个基本参数。
由前述知，电涡流传感器的输出量与被测导体的电导率
有关（当磁导率
、激磁频率f、传感器与被测导体的距离d等参数都一定时），这就是利用电涡流传感器测量金属导体电导率的基本原理。
在检测中，电导率
性能变化引起传感器等效阻抗的变化通常是较小的，因此在测量电路中必须用高增益放大器把信号放大。
在电导率测量时一般用电桥电路作为测量电路。
大家知道，导体的电阻率与温度有如下关系：
式中
——温度为T℃时的电阻率；
——温度To℃时的电阻率；
C——给定温度范围内的电阻温度系数。
从上式可以看出，被测体温度改变时，它的电阻率发生变化，从而使传感器线圈的等效电抗改变，测量电路的输出（频率、电压等）也作相应变化，这样就可用输出值来表示所测量的温度值。
利用这个原理，在冶金工业中可用来测压延滚筒温度，并对其温度进行自动控制。
（六）涡流探伤仪
在非破坏性检测领域里，涡流检测已被用来做为一种有效的探伤技术。
例如，常用来测试列车轮对轴和钢轨的表面裂纹、热处理裂痕、以及焊接部位的探伤等。
当检查时，使传感器与被测物体的距离保持不变，如有裂纹出现，将引起金属的导电率、导磁率的变化，这些参量的改变，将使传感器阻抗发生变化，从而使测量电路的输出电压改变，这样就达到了探伤的目的。
（七）振幅测量
电涡流传感器可无接触地测量各种振动的幅值。
在汽轮机、空气压缩机中，常用电涡流式传感器来监控主轴的径向振动，如图4.3-16（a）所示；也可以测量发动机涡轮叶片的振幅，如图4.3-16（b）所示。
为研究轴的振动，可用几个传感器探头并排安置在轴附近，当轴振动时，可获得各探头所在位置轴的振幅，如图4.3-16（c）所示。
图4.3-16振幅测量
1-被测体；2-涡流传感器
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