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第七节电涡流式传感器

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

旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。

电涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。

要形成涡流必须具备下列二个条件：①存在交变磁场；②导电体处于交变磁

场之中。因此，涡流式传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近因

而处于交变磁场中的金属导体两部分组成。金属导体也可以是被测对象本身。

如图3-33a所示，如果把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正

弦交变电流时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场，处于此交变磁场

中的金属导体内就会产生涡流，此涡流也将产生交变磁场，的方向与的

方向相反。由于磁场的作用，涡流要消耗一部分能量，从而使产生磁场的

线圈阻抗发生变化。

可以看出，线圈与金属导体之间存在着磁性联系。若把导体形象地看作一个

短路线圈，其间的关系可用图3-33b所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可

以定义一个互感系数，它将随着间距的减少而增大。根据克西荷夫定律，

可列出方程

(3-76)

解之得

(3-77)

式中——线圈的电阻和电感；

——金属导体的电阻和电感；

——线圈激励电压；

由的表达式可以看出线圈受到金属导体影响后的等效阻抗为

(3-78)

等效电阻、电感分别为

(3-79)

在等效电感中，第一项与磁效应有关。若金属导体为非磁性材料，就

是空心线圈的电感。当金属导体是磁性材料时，将增大，而且随着的变化而

变化。第二项与涡流效应有关，涡流引起的反磁场将使电感减小，越小，

电感减小的程度就越大。

等效电阻总是比原有的电阻来得大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都

将使阻抗的实数部分增加。显然，金属导体材料的导电性能和线圈离导体的距离

将直接影响这实数部分的大小。由式(3-79)也可以得到线圈的品质因数为

(3-80)

式中——无涡流影响时线圈的值；

——金属导体中产生涡流的圆环部分的阻抗，。

由上可知，被测参数变化，既能引起线圈阻抗变化，也能引起线圈电感

和线圈值变化。所以涡流传感器所用的转换电路可以选用中的任一

参数，并将其转换成电量，即可达到测量的目的。这样，金属导体的电阻率、

磁导率、线圈与金属导体的距离以及线圈激励电流的角频率等参数，都将

通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗是这些参数的

函数，可写成

若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成

为这个参数的单值函数。例如若被测材料的情况不变，阻抗就成为距离的单

值函数，便可做成涡流式位移传感器。

下面进行参数计算与分析。

1.涡流损耗功率

电涡流式传感器的物理基础是涡流效应。金属导体具有电阻，有涡流流通时

便会消