《传感器第四章电涡流传感器》.ppt

一、电涡流与轴向距离的关系 §4－4被测体材料形状和大小的影响 四、传感器安装对测量的安装 一、电桥电路（阻抗变换电路） 二、谐振法： * * 第四章　电涡流式传感器 §4-1 电涡流式传感器的工作原理 　一、基本原理 一个通有交流电流J1的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1。 涡电流 被测导体置于该磁场周围之内，被测导体内变会产生电涡流J2，电涡流也将产生一个新的磁场H2。 H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。 抗阻 电感 品质因数 二、等效电路分析 将涡电流等效为一个短路环，则等效电路为： 由克希霍夫定律，得： 式中，R1，L1_为线圈电阻、电感； R2，L2_ 金属导体的电阻和电感 M_互感系数 解： 记 线圈等效阻抗： 线圈等效电阻 线圈等效电感 圈的品质因数： 金属导体中产生的涡电流环的阻抗 Q0无涡流影响 （4）由于涡流损耗能量，使线圈阻抗的实数部分增加，导致品质因数Ｑ值下降(与金属材料的导磁性无关)。 讨论 （1）阻抗、电感、品质因数都与互感系数M有关。 M与x为非线性关系，x ,M ，所以： （2）若被测体为磁性材料，则x减小，有效磁导率增大，于是L1也增大；若被测导体为非磁性材料，有效磁导率与x无关，于是L1=const.; （3）由于涡电流的存在，使得等效电感L减小，而且，x减小，L也减小越多 ； 由线圈－导体的电磁作用，可得导体中电涡流为： §4-2电涡流形成的范围 　　电涡流不仅是距离x的函数，而且只在被测导体的表面薄层及半径的有限范围内形成。 1、电涡流随轴向距离x的增加而迅速减小；即： 讨论 2、为了获得较强的电涡流效应，应保证： 一般： 一种简化的模型　如图。 导体假设只有一个环，而环中的电涡流密度（电流/单位面积）是半径的函数： 二、涡电流的径向形成范围 被测金属 线圈外半径 线圈内半径 线圈 结论 讨论 1、当 时，即在线圈外径处，电涡流密度最大（＝jo)； 2、在线圈的轴线附近，电涡流非常小，可以设想为一个孔，这个孔的孔径为 ； 3、当 （称“有效外径”时，电流密度衰减到最大值的5％） －金属表面涡流密度（即最大电流密度）； ｔ－趋肤深度（轴向贯穿深度）； 在距离导体表面x=t处，该处涡流密度为： 三、电涡流的轴向贯穿深度 由于“趋肤效应”，涡流密度在金属导体中的轴向分布 按指数规律衰减： －金属导体中某点距离金属表面x的电涡流密度； “趋肤效应”(集肤效应）—交流电通过导体时，由于感应作用，引起导体截面积上电流分布不均匀；越近导体表面，电流密度越大。 则该深度即为趋肤深度（或轴向贯穿深度）。 贯穿深度值可由下式计算： 导体电阻率； 相对磁导率； 激励频率 （1）贯穿深度与被测体的材料有关； （2）当被测导体材料一定时。轴向贯穿深度是激励频率的函数。频率越高，趋肤深度越小。 讨论 (cm) §4-3 电涡流传感器的设计 一、线圈的形状和大小 在线圈中，取单匝载流圆导线，在其轴上的磁感应强度： 毕奥－沙法－拉普拉斯定律 bs ros dr ris Bp x r x 传感器线圈 在轴上的磁感应强度 r dx p 讨论 半径较小处（r↓）,则越接近（线圈）导线（x ↓） ，磁感应强度越大（Bp↑）； 而在远离（线圈）导线的地方（x ↑ ）,则半径大的地方（r ↑ ） ，磁感应强度大（Bp↑） 。 K=36*10-10 （激励电流不变） 考虑扁平导线，单位面积上的电流密度： 取通过截面积为dxdr处的圆形电流： 此电流在轴上x处所产生的磁感应为： 则，整个载流扁平线圈在x处所产生的总的磁感应强度： 1、线圈外径越大，线圈的磁场轴向分布范围（即线性范围）越大，但是磁感应强度的变化的梯度（即灵敏度）越小；反之亦然。 2、线圈内径的变化对线性范围和灵敏度影响不大。 3、线圈厚度的变化对线性范围和灵敏度影响不大。 讨论 线圈外径影响 线圈内径影响 线圈厚度影响 一、被测体材料的影响 被测体材料 传感器线圈的阻抗 灵敏度 1、被测体电导率 线圈等效阻抗 电涡流 灵敏度 2、非磁性体比磁性体的测量灵敏度高： 即 磁性材料灵敏度低。 涡流效应引起变化 L线圈的等效电感 3、若被测体表面有镀层且不均匀， 则当激励频率 使趋肤深度 ，干扰影响强烈。 A 二、被测体大小形状的影响 为了充分地有效利用电涡流效应，被测体的大小、形状应不影响电涡流形成的有效范围。否则灵敏度下降。 (1)被测体的面积要求线圈面积 圆柱体被测体直径线圈直径的3.5倍以上。 (2)厚度要求0.2mm 三、被测体周围磁场对测量的影响 (2