电涡流传感器的基本原理

图4－1所示为电涡流传感器的基本原理。如果把一个励磁线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电源u1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出电涡流i1、i2又产生新的交变磁场H2。根据楞次定律，H2将反抗原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与金属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数，都将提高涡流效应和磁效应与线圈阻抗联系。因此，线圈等效阻抗Z的函数关系式为

Z＝f（ρ，μ，x，ω）（4.1）

图4－1 电涡流传感器的基本原理

1—电涡流线圈；2—被测金属导体

若能保持其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样能形成传感器的线圈阻抗Z与此参数的单值函数。再通过传感器的测量转换电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的非电量测量，这就是电涡流传感器的基本工作原理。

若把导体形象地看作一个短路线圈，其关系可用图4－2所示的电路来等效。

图4－2 电涡流传感器的等效电路图

1—传感器线圈；2—电涡流短路环

线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M，它将随着间距x的减小而增大。根据基尔霍夫第二定律，可列出Ⅰ、Ⅱ回路的电压平衡方程式，即

R1I1＋jωL1I1－jωMI2＝U1（4.2）

式中 ω——线圈励磁电流角频率，rad／s。

－jωMI1－R2I2＋jωL2I2＝0（4.3）

由此可得传感器线圈受到电涡流影响后的等效阻抗Z的表达式，即式中 Z2——短路环阻抗，Ω；

R——涡流影响后等效电阻，Ω；

L——电涡流影响后的等效电感，H；

Z1——线圈不受电涡流影响时的原有复数阻抗，Ω；

ΔZ1——线圈受电涡流影响后的复数阻抗增量，Ω。

由图4－2及式 （4.4）不难得到以下参数表达式，即

Z1＝R1＋jωL1（4.8）

当距离x减小时，互感量M增大，由式 （4.4）可知，等效电感L减小，等效电阻R增大。从理论和实测中都证明，此时流过线圈的i1是增大的。这是因为线圈的感抗XL的变化比R的变化大得多。

由于线圈的品质因素Q()与等效电感成正比，与等效电阻（高频时的等效电阻比直流电组大得多）成反比，所以当电涡流增大时，Q很大。