第4章电感式3电涡流.

4.3电涡流式传感器根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体至于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生成漩涡状的感应电流，此电流称为电涡流，以上现象称为电涡流现象。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。在金属导体内产生的涡流存在趋肤效应，即涡流渗透的深度与传感器激励电流的频率有关。根据电涡流在导体内的渗透情况，电涡流传感器分为：高频反射式低频投射式～1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流4.3.1工作原理传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使金属导体产生感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将阻碍原磁场H1的变化。由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流效应既与被测体的ρ、μ以及几何形状有关，还与激磁线圈的几何参数、激磁线圈中激磁电流频率f有关，同时还与激磁线圈与导体间的距离x有关。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：Z=F(ρ,μ,r,f,x)r为激磁线圈与被测体的尺寸因子。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，即可实现对该参数的测量。4.3.2基本特性电涡流式传感器简化模型ras1xhrari(r)231—传感器线圈；2—短路环；3—被测金属导体在被测金属导体上形成的电涡流可等效为一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内。电涡流的轴向贯穿深度h贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e（0.37）处的表面厚度。0rhff为线圈激磁电流的频率。电涡流式传感器简化模型ras1xhrari(r)231—传感器线圈；2—短路环；3—被测金属导体1UL1L212ⅠⅡR1R2M2I1I1—传感器线圈；2—电涡流短路环电涡流的等效电路图。R2为电涡流短路环等效电阻221aiRrhnr电涡流式传感器简化模型ras1xhrari(r)231—传感器线圈；2—短路环；3—被测金属导体1UL1L212ⅠⅡR1R2M2I1I1—传感器线圈；2—电涡流短路环根据基尔霍夫第二定律111121122220RIjLIjMIUjMIRIjLIω——线圈激磁电流角频率；R1——线圈电阻；L1——线圈电感；L2——短路环等效电感；R2——M——互感系数。等效阻抗Z为22221121222222212222eqeqUMMZRRjLLIRLRLRjLReq—线圈受电涡流影响后的等效电阻221222222eqMRRRRL线圈的等效品质因数Q值为eqeqLQR4.3.3电涡流形成范围1.电涡流的径向形成范围线圈与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4-25所示。电涡流密度J与半径r的关系曲线1.00.80.60.40.2Jr/J0r/ras1013r/ras2hxriraras11-电涡流线圈；2-等效短路环；3-电涡流密度分布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。①电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。电涡流密度J与半径r的关系曲线1.00.80.60.40.2Jr/J0r/ras1013r/ras2hxriraras11-电涡流线圈；2-等效短路环；3-电涡流密度分布②电涡流密度在ri=0处为零。③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。④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）。2iaasasrrrr电涡流密度J与半径r的关系曲线1.00.80.60.40.2Jr/J0r/ras1013r/ras2hxriraras11-电涡流线圈；2-等效短路环；3-电涡流密度分布2.电涡流强度与距离的关系当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。金属导体表面的电涡流强度21221asxIIxr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。电涡流强度与距离归一化曲线1.00.80.60.40.20123456I2/I1x/ras金属导体表面的电涡流强度212/11asasxrIIxr①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。②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.05～0.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。金属导体表面的电涡流强度212/11asasxrIIxr电涡流强度与距离归一化曲线1.00.80.60.40.20123456I2/I1x/ras3.电涡流的轴向贯穿深度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。导体中产生的电涡流强度随导体厚度的增加按指数规律下降。/0dhdJJe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）。电涡流密度轴向分布曲线JdJ0/eohdJ0电涡流密度主要分布在表面附近。0rhf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h愈大。4.3.4电涡流传感器测量电路测量电路的种类：调频式调幅式。1.调频式电路调频式测量电路(a)测量电路框图；(b)振荡电路频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f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(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和Ｖ1)以及射极输出电路两部分组成。频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f12()fLxC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。2.调幅式电路调幅式测量电路示意图放大检波指示RioLCUo传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成振荡电路。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（f0）稳定的激励电流io。LC回路输出电压()ooUifZZ为LC回路的阻抗。调幅式测量电路示意图放大检波指示RioLCUo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。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。4.3.5涡流式传感器的应用1.低频透射式涡流厚度传感器2.高频反射式涡流厚度传感器3.电涡流式转速传感器1.低频透射式涡流厚度传感器透射式涡流厚度传感器结构原理图被测金属板L1L2111U2U在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通φ1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。将被测金属板放入两线圈之间，L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流,并将贯穿金属板。此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为φ1′，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1%。2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流测厚仪测试系统图厚度给定系统S1检波比较电压检波S2加法器指示仪表带材xx1x2＋－－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。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。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Δδ，则两传感器与带材之间的距离也改变一个Δδ，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU。ΔU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。3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器工作原理图振荡器高频放大器检波器整形电路d输入轴d0传感器fn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。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+Δd。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随Δd的变化而变化，从而导致振荡回路的Q发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。随着输入轴的旋转，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600000r/min。作业P.854—10作业P.854—10何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？