第3章电感式传感器C电涡流式传感器.ppt

环形电感式传感器 电子接近开关 习 题 第三章1－3题（pp65－66） 3. 电涡流式转速传感器 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工作原理图 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，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，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600 000 rpm。 * * 3.7 电涡流式传感器 3.7.1 工作原理 图3-22 电涡流式传感器原理图 （a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体转圈，这种现象称为涡流效应。 线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号 i1 正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈 ,改变了电感 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电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关， 还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，同时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： . . . . . . . . Z=F(ρ,μ,r,f,x) (3-40) 式中, r为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。 Z=F(ρ,μ,r,f,x) 涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。它的变换量可以是位移，也可以是被测材料的性质，其应用大致有下列四个方向： 1）利用位移作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等； 2）利用材料电阻率ρ作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器； 3）利用导磁率μ作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器； 4）利用变换量、ρ、μ等的综合影响，可以做成探伤装置等。 3.7.2 基本特性 图3-23 电涡流式传感器简化模型 电涡流传感器简化模型如图3-23所示。模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内， 模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得： (3-41) 式中, f为线圈激磁电流的频率。 图3-24 电涡流式传感器等效电路图 根据简化模型，可画出如图3-24所示的等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为 (3-42) 根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程： (3-43) 式中： ω——线圈激磁电流角频率； R1、L1——线圈电阻和电感； L2——短路环等效电感； R2——短路环等效电阻； M——互感系数。 由式（3- 43）解得等效阻抗Z的表达式为 (3-44) 式中：Req——线圈受电涡流影响后的等效电阻 Leq——线圈受电涡流影响后的等效电感 线圈的等效品质因数Q值为 综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路，运用电路分析的基本方法得到的式（3-44）和式（3-45），为电涡流传感器基本特性表示式。 (3-45) 3.7.3 电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围 线圈—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3-25所示（图中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