3.4 电涡流式传感器
当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时,
导体内引起感应电流, 此电流在导体内闭合,称
为涡流 。
上一页 下一页 返 回
)(5 0 3 0 cm
f
h
r?
?
?
穿透深度
式中,ρ—— 导体电阻率 (Ω·cm)；
?r—— 导体相对磁导率；
? —— 交变磁场频率 (Hz)。
电涡流式传感器
3.4.1 高频反射式涡流传感器
3.4.2 低频透射式涡流传感器
3.4.3 涡流式传感器的应用
上一页 下一页 返 回
3.4.1 高频反射式涡流传感器
1,基本原理
2,等效电路
3,传感器的结构
4,测量电路
上一页 下一页 返 回
1,基本原理
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
电感变化程度取于线圈 L的外形尺寸，线圈 L至金属板之间的距离,
金属板材料的电阻率和磁导率 以及的频率等
上一页 下一页 返 回
2,等效电路
电感 LE表示金属板对涡流呈现的电感效应
电阻 RE表示在金属板上的涡流损耗
互感系数 M表示 LE与原线圈 L之间的相互作用
R为原线圈 L的损耗电阻
C为线圈与装置的分布电容
上一页 下一页 返 回
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
?
???
222
22
222
22
22
EE
E
EE
E
EE
L
LR
LM
Lj
LR
RM
R
LjR
M
LjRZ
?
?
?
?
?
?
?
?
考虑到涡流的反射作用,L两端的阻抗 ZL(突略 C的影响 ）
可用下式表示
式中 ω—— 信号源的角频率。
上一页 下一页 返 回
(3.4.1)式
表 3.4.1 不同频率时的感抗分量与电阻分量
计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间
的数量关系可以进行估计。
金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈
按一定方式结合起来的总效应来等效。
上一页 下一页 返 回
ωL E(Ω)
(Ω)
由于 RE<<ωLE, 令 K—— 耦合系数,
K2=M2／ (L·LE)。则 式 (3.4.1)可以简化为
)1( 22 KLjK
L
L
RRZ
E
EL ???? ?
ZL的虚部与金属板的电阻率无关，而仅与耦合系数 K有关,
即仅与线圈至金属板之间的距离有关
在实际条件下，即 K<1，并有 RE<<ωLE
可以认为式 (3.4.2)在特定条件下
(测量信号频率较高，金属板电阻率较小且变化范围不大 )
存在着以下的关系
)1( 22 KLK
L
L
R
E
E ??? ?
上一页 下一页 返 回
（ 3.4.2）式
3,传感器的结构
1,线圈
2,框架
3．框架衬套
4,支架
5．电缆
6．插头
上一页 下一页 返 回
4,测量电路
? 定频测距电路
? 调频测距电路
上一页 下一页 返 回
定频测距电路
将 L— x的关系转换成 U— x。的关系。
通过检波电压 U的测量，就可以确定距离 x的大小。
这里 U— x，曲线与金属板电阻率的变化无关。
上一页 下一页 返 回
若去掉金属板，则 L=L∞(即 x趋于 ∞时的 L值 )。
如果在保持幅值不变的情况下，改变正弦振荡器的频率,
则可以得到 U— f曲线，即传感器回路的并联谐振曲线
谐振频率为
并CL
f o
?
?
?2
1
上一页 下一页 返 回
有金属板时，设振荡器的频率为 f0。
若改变金属板与传感器之间的距离 x，则 U— x曲线
当 x足够大时 (此时 L=L∞,U=U∞)，回路处于并联谐振状态。
上一页 下一页 返 回
调频测距电路
当传感器线圈与被测物体间的距离 x变化时,
引起线圈的电感量 L发生变化，从而使振荡器的频率改变,
然后通过鉴频器将频率变化再变成电压输出。
上一页 下一页 返 回
调频式测量电路图
CxL
f
?
?
)(2
1
?
电容三点式振荡器
射极输出器
上一页 下一页 返 回
传感器输出电缆的分布电容的影响不能忽视的。
1 钢板
2 铜板
上一页 下一页 返 回
3.4.2 低频透射式涡流传感器
透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线
测厚的依据, E的大小间接反映了 M的厚度 t
上一页 下一页 返 回
当选用不同的测试频率时，渗透深度 Q渗 的值是不同的,
从而使 E— t曲线的形状发生变化。
在 t较小的情况下,Q小 曲线的斜率大于 Q大 曲线的斜率；
而在 t较大的情况下,Q大 曲线的斜率大于 Q小 曲线的斜率。
测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。
上一页 下一页 返 回
测试频率与材料关系
? 对于一定的测试频率, 当被测材料的电阻率不同时,
渗透深度 Q渗 的值也不相同, 于是又引起 E－ t曲线形状
的变化, 为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相
近, 就需在变动 ρ时保持 Q渗 不变, 这时应该相应地改
变 f。
? 测 ρ较小的材料 (如紫铜 )时, 选用较低的 (500Hz)而测 ρ
较大的材料 (如黄铜, 铝 )时, 则选用较高的 (2KHz)，
从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度 。
上一页 下一页 返 回
3.4.3 涡流式传感器的应用
x
?
?
??,,x
被 测 参 数 变 换 量 特 征
位移、厚度、振动
（ 1） 非接触测量，连续测量
（ 2） 受剩磁的影响。
表面温度、电解质浓度
材质判别、速度（温度）
（ 1） 非接触测量，连续测量；
（ 2） 对温度变化进行补偿
应力、硬度
（ 1） 非接触测量，连续测量；
（ 2） 受剩磁和材质影响
探伤
可以定量测量
上一页 下一页 返 回
1．位移测量
(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图
(b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图
(c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图
上一页 下一页 返 回
2,振幅测量
(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图
(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图
(c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近
上一页 下一页 返 回
3．厚度测量
电涡流式厚度计的测量原理图
上一页 下一页 返 回
4．转速测量
60??
n
f
N
f—— 频率值 (Hz)；
n—— 旋转体的槽 (齿 )数；
N—— 被测轴的转速 (r／ min)。
上一页 下一页 返 回
5,涡流探伤
? 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。
? 综合参数 (x,ρ,μ)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。
? 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，
在测量线圈上就会产生调制频率信号
上一页 下一页 返 回
a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号
在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。
为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过,
而将干扰频率信号衰减。
上一页 返 回
用涡流探伤时的测量信号