自动检测技术及应用ppt课件第4 电涡流传感器.ppt

* 传感器及检测技术  根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流, 此电流叫电涡流, 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、材料损伤等进行非接触式连续测量, 另外还具有体积小, 灵敏度高, 频率响应宽等特点, 应用极其广泛。  第四章 电涡流式传感器 一、基本工作原理 1、电涡流效应： 根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩涡状的感应电流，成为电涡流，这种现象称为“电涡流效应”。 特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。 2、工作原理 根据法拉第定律，当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，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，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。 . . . . . . . . 二、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的关系曲线如图所示。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）。由图可知：  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。 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）。 2. 电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，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。根据线圈—导体系统的电磁作用， 可以得到金属导体表面的电涡流强度为 式中： 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。 以上分析表明：  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。  所谓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，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示： 3. 电涡流的轴向贯穿深度 式中：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）。 式中: f——线圈激磁电流的频率。 ? 三、电涡流传感器等效电路 ω——线圈激磁电流角频率； R1、L1——线圈电阻和电感；  M——互感系数。 解得等效阻抗Z的表达式为 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 四、电涡流传感器测量电路 1. 调频式电路 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。振荡器的频率为 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