3.3 电涡流式传感器

3.3 电涡流式传感器

根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫作电涡流，以上现象称为电涡流效应。

根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。

电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力和材料损伤等进行非接触式连续测量，此外它还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。

3.3.1 涡流传感器的结构与工作原理

1.高频反射式电涡流传感器

高频反射式电涡流传感器的结构比较简单，主要是一个安装在框架上的线圈，线圈可以绕成一个扁平圆形粘贴于框架上，也可以在框架上开一条槽，将导线绕制在槽内而形成一个线圈。线圈的导线一般采用高强度漆包线，如要求高一些，可用银或银合金线，在较高的温度条件下，须用高温漆包线。传感器的结构如图3-24所示。

需要指出的是，由于电涡流式传感器是利用传感器线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而作为传感器的线圈装置仅仅是“实际传感器”的一半，而另一半则是被测导体。所以，被测导体的材料物理性质、尺寸和形状等都与传感器的特性密切相关。

图3-24 高频反射式电涡流传感器的结构示意图

1—线圈 2—框架 3—框架衬套 4—支架 5—电缆 6—插头

图3-25 高频反射式涡流式传感器的原理图

图3-25所示为高频反射式涡流式传感器的原理图，该图由传感器线圈和被测金属导体组成线圈-导体系统。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流，又产生新的交变磁场。根据楞次定律，的作用将反抗原磁场，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。而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率ω有关，还与线圈与导体间的距离x有关。

因此，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

式中，R为线圈与被测体的尺寸因子。

如果保持上式中其他参数不变，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。

若把导体等效成一个短路线圈，可画出涡流传感器等效电路图，如图3-26所示。

图中R₂为电涡流短路环等效电阻。根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：

式中，ω为线圈激磁电流角频率，R₁、L₁为线圈电阻和电感；L₂、R₂为短路环等效电感和等效电阻。

图3-26 涡流传感器等效电路图

1—传感器线圈 2—涡流短路环

由式（3-17）解得等效阻抗Z的表达式为

电涡流传感器的等效阻抗可表示为Z=R+jωL

等效电阻为

等效电感

线圈的等效品质因数Q值为

可见，由于涡流的影响，线圈复阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。

上述分析结果表明，电涡流式传感器的等效电气参数如线圈阻抗Z、线圈电感L和品质因数Q都是互感M的二次方的函数，而互感M又是线圈与金属导体之间距离x的非线性函数。由于金属导体的电阻率ρ，金属导体的磁导率μ以及线圈激磁频率f，将决定H、R₂、L₂和M的大小，因此可以说，高频反射式传感器的阻抗Z、电感L和品质因数Q都是由ρ、μ、x、f等多参数决定的多元函数，若只改变其中一个参数，其余参数保持不变，便可测定这个可变参数。

2.低频透射式电涡流传感器

图3-27所示为低频透射式涡流传感器结构原理图。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L₁，在被测金属板的下方设有接收传感器线圈L₂。当在上方加低频电压u₁时，则在L₁上产生交变磁通Φ₁，若两线圈之间无金属板，则交变磁场直接耦合至L₂中，L₂产生感应电压u₂。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L₁线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流i_e，此时磁场能量受到损耗，到达L₂的磁通将减弱为Φ₂，从而使L₂产生的感应电压u₂下降。显然，金属板厚度尺寸d越大，穿过金属板到达L₂的磁通Φ₂就越小，感应电压u₂也相应减小。因此，可根据u₂的大小得知被测金属板的厚度。

u₂与d之间有着对应关系，u₂=f（d），曲线如图3-28所示。由图可知，频率越低，f₁<f₂<f₃，磁通穿透能力越强，在接收线圈上感应的电压u₂也越高；频率较低时，线性较好，因此要求线性好时应选择较低的激励频率（通常为1kHz左右）；d较小时，f₃曲线的斜率较大，因此测薄板时应选较高的激磁频率，测厚板时应选较低的激磁频率。低频透射式涡流传感器的检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1。

图3-27 低频透射式电涡流传感器原理图

图3-28 不同频率下的u₂=f（d）曲线

3.3.2 测量电路

由电涡流式传感器的工作原理可知，当被测对象的参数变化时，可由传感器将参数的变化转换为传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q的变化。转换电路的作用就是将Z、L或Q转换为电压和电流的变化。目前，品质因数Q的转换电路很少用，阻抗Z的转换一般用电桥，电感L的转换电路一般用谐振电路，它又可分为调幅法和调频法两种。

1.电桥电路

图3-29为电涡流式传感器的电桥电路：L₁、L₂为两个涡流线圈的电感值，组成差动电路，也可以一个是涡流传感器线圈，另一个是固定线圈，起平衡桥路的作用。由L₁、C₁并联、L₂、C₂并联及R₁、R₂组成电桥的4个桥臂，振荡器提供电源及涡流传感器工作所需频率。

2.调幅式测量电路

图3-30为谐振调幅式测量电路，它由石英振荡器给LC并联谐振回路供电，其中L为涡流传感器的线圈。石英晶体振荡器相当于一个恒流源，由它向并联谐振回路提供一个频率稳定的高频激励电流。R称为耦合电阻，它既有降低振荡器负载的作用，又可视为恒流源的内阻。耦合电阻R变大，灵敏度降低；R变小，灵敏度增加。当R太小时，由于谐振回路的旁路作用，反而会使灵敏度降低。耦合电阻的选择要考虑振荡器的输出阻抗和传感器线圈的品质因数。

图3-29 电涡流式传感器电桥电路

图3-30 谐振调幅式测量电路原理图

在没有被测物体时，传感器线圈的电感为L₀，将谐振回路调谐在谐振状态，这时的谐振频率为，谐振回路上的压降U_o=I₀Z₀为最大值。

当非软磁材料的被测导体靠近传感器线圈时，线圈的电感值将由于涡流作用而减小为L₁，谐振回路失调，振荡幅值下降，并且使谐振曲线向右移，频率f₀对应的阻抗减小，因而压降也减小。随着被测物体的靠近，压降会进一步减小。LC谐振回路的压降能反映被测物体与传感器线圈间的距离。

3.调频式测量电路

图3-31是一种调频式测量电路原理图，它与前述的调幅电路的不同之处是取LC回路的谐振频率作为输出量。当被测物体靠近传感器线圈时，电感L发生变化，从而改变了LC振荡器的频率。频率的变化作为输出量，也反映了被测物体与传感器线圈间的距离。频率信号可以直接由频率计测出，也可通过频率-电压转换电路由测量电压测得。

采用调频法时，连接电缆的分布电容的影响不容忽视。几个皮法的电容变化将使频率变化几个kHz，严重影响测量结果。通常将电容C和线圈L都装在传感器内，并尽可能将传感器与测量电路靠近，以抑制分布电容的影响。

图3-31 调频式测量电路原理图

3.3.3 电涡流式传感器的应用

电涡流式传感器由于具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强等特点，可以实现非接触式测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹和金属件探伤等。

1.测量转速

对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。而电涡流传感器测量转速的优越性是其他任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速，抗干扰性能也非常强。

图3-32所示为电涡流式转速传感器工作原理图。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。

图3-32 电涡流式转速传感器测量转速

当被测旋转轴转动时，输出轴的距离发生d₀+Δd的变化。由于电涡流效应，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数变化，使传感器线圈电感随Δd的变化也发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。检波器在该信号内检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出脉冲频率信号f。该信号送单片机或其他装置便可得到被测转速。

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，实现长期对被测转速进行监视。

2.测位移

如图3-33所示，接通电源后，在涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。

图3-33 主轴轴向位移测量原理图

3.电涡流接近开关

接近开关又称为无触点行程开关。当有物体接近时，即发出控制信号。常用的接近开关有电涡流式（俗称为电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式、多普勒式和热释电式等。在此以电涡流式为例加以简介。

电涡流式接近开关属于一种开关量输出的位置传感器，原理如图3-34所示。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近这个能产生交变电磁场的感应磁场时，会使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。

图3-34 接近开关原理图

4.测厚度

电涡流传感器可以无接触地测量金属板的厚度和非金属板的镀层厚度，图3-35所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统。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、S₂。S₁、S₂与被测带材表面之间的距离分别为x₁和x₂。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”的关系存在。两传感器的输出电压之和为2U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了一个Δδ，两传感器输出电压此时为2U_o+ΔU。ΔU经放大器放大后，通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。

5.涡流探伤

电涡流式传感器可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。在检查时，使传感器与被测体的距离不变，如有裂纹出现，将引起金属的电阻率、磁导率的变化。这些参数的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。

图3-35 高频反射式涡流测厚仪测试系统

此外，涡流传感器还可制成开关量输出的检测元件，这时可使测量电路大为简化。目前，应用比较广泛的有接近开关，也可用于金属零件的计数。