电涡流式传感器

时间：2022-10-11 百科知识版权反馈

【摘要】：电涡流式传感器是20世纪70年代以来得到迅速发展的一种传感器，它利用电涡流效应进行工作。而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z＝f1、L＝f2、Q＝f3都是非线性函数。需要指出的是，由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。

3.5　电涡流式传感器

电涡流式传感器是20世纪70年代以来得到迅速发展的一种传感器，它利用电涡流效应进行工作。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广，它一问世就受到各国的重视。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。

本节着重介绍电涡流式传感器的基本型式——位移传感器，并简要介绍其典型应用。

图3-35　电涡流式传感器的基本原理

3.5.1　工作原理

如图3-35所示，有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H₁。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流也将产生一个新磁场H₂，H₂与H₁方向相反，力图削弱原磁场H₁，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。

图3-36　等效电路

为分析方便，我们将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如图3-36所示。设线圈的电阻为R₁，电感为L₁，阻抗为Z₁＝R₁＋jωL₁；短路环的电阻为R₂，电感为L₂；线圈与短路环之间的互感系数为M。M随它们之间的距离x减小而增大。加在线圈两端的激励电压为根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组

解之得

由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为

线圈的等效电感为

由式（3-69）可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由Z₁变为Z，常称其变化部分为“反射阻抗”。由式（3-69）可得

式中，——无涡流影响时线圈的Q值；

——短路环的阻抗。

Q值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和两耦合线圈间的距离x直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率μ_e的变化将影响等效电感L。当距离x减小时，由于μe增大而使式（3-70）中之L₁变大。

由式（3-69）～（3-71）可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z＝f₁（x）、L＝f₂（x）、Q＝f₃（x）都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。

3.5.2　结构类型

1.反射式

反射式中，变间隙式是最常用的一种结构型式。它的结构很简单，由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制（高温使用时可采用铼钨合金线），用粘结剂粘在框架端部或绕制在框架槽内，后者如图3-37所示。

线圈框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、氮化硼和聚四氟乙烯等。由于激励频率较高，对所用电缆与插头也要充分重视。

图3-37　电涡流传感器的结构

1—线圈；2—框架；3—框架衬套；4—支座；5—电缆；6—插头

图3-38　线圈轴向磁感应强度分布

d₀₁—线圈1的外径；d₀₂—线圈2的外径

分析表明，这种传感器线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围大，但磁感应强度的变化梯度小；线圈外径小时则相反。图3-38示出内径与厚度相同，但外径不同的两个线圈轴向磁感应强度B_p与轴向距离x之间的关系。可见，线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；反之，线圈外径小，灵敏度高，但线性范围小。分析还表明:线圈内径和厚度的变化影响较小，仅在线圈与导体接近时灵敏度稍有变化。

为了使传感器小型化，也可在线圈内加磁心，以便在电感量相同的条件下，减少匝数，提高Q值。同时，加入磁心可以感受较弱的磁场变化，造成μ值变化增大而扩大测量范围。

需要指出的是，由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。因此有必要对被测体进行讨论。

首先，被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。一般说，被测体的电导率越高，灵敏度也越高。磁导率则相反，当被测物为磁性体时，灵敏度较非磁性体低。而且被测体若有剩磁，将影响测量结果，因此应予消磁。

若被测体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量精度。当测量转动或移动的被测体时，这种不均匀将形成干扰信号。尤其当激励频率较高，电涡流的贯穿深度减小时，这种不均匀干扰影响更加突出。

被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。从分析知，若被测体为平面，在涡流环的直径为线圈直径的1.8倍处，电涡流密度已衰减为最大值的5%。为充分利用电涡流效应，被测体环的直径不应小于线圈直径的1.8倍。当被测体环的直径为线圈直径的一半时，灵敏度将减小一半；更小时，灵敏度下降更严重。

当被测体为圆柱体时，只有其直径为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果；两者相等时，灵敏度降低为70%左右。被测体直径对灵敏度的影响见图3-39，图中D为被测体直径，d为线圈直径，K_r为相对灵敏度。

同样，对被测体厚度也有一定要求。一般厚度大于0.2mm则不影响测量结果（视激励频率而定），铜铝等材料更可减薄为70μm。

反射式除变间隙式外，还有变面积式和螺管式两种，读者可参阅文献［3］。

图3-39　被测体相对直径对灵敏度的影响

图3-40　透射式电涡流传感器工作原理

2.透射式

这种类型与前述反射式主要不同在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用于测量金属材料的厚度。图3-40为其工作原理示意图。

传感器由发射线圈L₁和接收线圈L₂组成，它们分别位于被测金属板材M的两侧。当低频激励电压U₁加到L₁的两端时，将在L₂的两端产生感应电压U₂。若两线圈之间无金属导体，L₁的磁场就能直接贯穿L₂，这时U₂最大。当有金属板后，其产生的涡流削弱了L₁的磁场，造成U₂下降。金属板越厚，涡流损耗越大，U₂就越小。因此可利用U₂的大小来反映金属板的厚度。

理论分析与实验证明:U₂与成正比，其中e为自然对数的底，h为被测金属板厚度，t为电涡流的贯穿深度。因此，U₂与h的关系如图3-41所示。

图3-41　感应电压与被测金属板厚度的关系

图3-42　贯穿深度t对U₂＝f（h）曲线的影响

由于t与成正比（其中ρ为被测材料的电阻率，f为激励频率），当被测材料已定，ρ为定值，此时若采用不同的激励频率f，贯穿深度t就不同，导致U₂-h曲线发生变化，如图3-42所示。由图可见，f较低时（即t较大），线性较好。因此f应选择较低的频率（通常为1kHz左右）。同时，h较小时，t₃曲线（f较高）的斜率较大，因此测薄板时应选较高的频率；测厚板时则选较低的频率。

对不同的被测材料，由于ρ不同，当f一定时，贯穿深度t也不同。由此将造成U₂＝f（h）曲线形状的变化。为保证测量不同材料时的线性度和灵敏度一致，可采用改变激励频率f的方法。例如测量紫铜时频率采用500Hz，测量黄铜和铝时采用2kHz。

此外，因温度的变化会引起材料电阻率ρ的变化，故应使材料温度恒定。

3.5.3　测量电路

根据电涡流式传感器的工作原理，针对被测参量可以转换为线圈电感、阻抗或Q值的三种参数的变化，测量电路也有三种:谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。Q值测试电路较少采用，电桥电路在2.5节和3.2节中已作了较详细的阐述，本节主要介绍谐振电路。其基本原理是将传感器线圈与电容组成LC并联谐振回路，谐振频率谐振时回路阻抗最大，为Z₀＝L/（R′C）其中R′为回路等效损耗电阻。当电感L变化时，f和Z₀都随之变化，因此通过测量回路阻抗或谐振频率即可获得被测值。

目前电涡流式传感器所用的谐振电路有三种类型:定频调幅式、变频调幅式与调频式。

1.定频调幅电路

图3-43为这种电路的原理框图。图中L为传感器线圈电感，与电容C组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在无被测导体时，LC并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大（图3-44中之U₀）。当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙（位移）成近似线性关系。由于输出电压的频率f₀始终恒定，因此称定频调幅式。

图3-43　定频调幅电路框图

图3-44　定频调幅谐振曲线

LC回路谐振频率的偏移如图3-44所示。当被测导体为软磁材料时，由于L增大而使谐振频率下降（向左偏移）；当被测导体为非软磁材料时则反之（向右偏移）。

这种电路采用石英晶体振荡器，旨在获得高稳定度频率的高频激励信号，以保证稳定的输出。因为振荡频率若变化1%，一般将引起输出电压10%的漂移。图3-43中R为耦合电阻，用来减小传感器对振荡器的影响，并作为恒流源的内阻。R的大小直接影响灵敏度:R大则灵敏度低，R小则灵敏度高；但R过小时，由于对振荡器起旁路作用，也会使灵敏度降低。

谐振回路的输出电压为高频载波信号，信号较小，因此设有高频放大、检波和滤波等环节，使输出信号便于传输与测量。图中源极输出器是为减小振荡器的负载而加。

2.变频调幅电路

定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，原理框图如图3-45所示。这种电路的基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。变频调幅电路的谐振曲线如图3 46所示。无被测导体时，振荡回路的Q值最高，振荡电压幅值最大，振荡频率为f₀。当有金属导体接近线圈时，涡流效应使回路Q值降低，谐振曲线变钝，振荡幅度降低，振荡频率也发生变化。当被测导体为软磁材料时，由于磁效应的作用，谐振频率降低，曲线左移；被测导体为非软磁材料时，谐振频率升高，曲线右移。所不同的是，振荡器输出电压不是各谐振曲线与f₀的交点，而是各谐振曲线峰点的连线。

图3-45　变频调幅电路框图

图3-46　变频调幅谐振曲线

这种电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监控等场合常采用它。

必须指出，该电路用于被测导体为软磁材料时，虽由于磁效应的作用使灵敏度有所下降，但磁效应对涡流效应的作用相当于在振荡器中加入负反馈，因而能获得很宽的线性范围。所以如果配用涡流板进行测量，应选用软磁材料。

3.调频电路

调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路，所不同的是，以振荡频率的变化作为输出信号。如欲以电压作为输出信号，则应后接鉴频器。图3-47为调频式测量仪的原理框图。图中“静态”与“动态”分别用于测量静态位移与振动幅度。

图3-47　调频式测量仪原理框图

这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。

图3-48所示的振荡器电路，由于采用了有较大电容量的C₁、C₂，使与之并联的晶体管极间电容受温度而变的影响大为减小。同时为了减小电缆电容变动的影响，将谐振回路元件L、C一起做在探头里。这样，电缆的分布电容就并联到大电容C₁、C₂上，从而大大减小了分布电容变化对频率的影响。为了与负载隔离，振荡器可通过射极跟随器输出。

提高谐振回路元件本身的稳定性也是提高频率稳定度的一个措施。为此，传感器线圈L可采用热绕工艺绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定的云母电容或具有适当负温度系数的电容（进行温度补偿）作为谐振电容C。

图3-48　振荡器电路图

此外，提高传感器探头的灵敏度也能提高仪器的相对稳定性。例如，振荡频率为2MHz，振荡器的频率稳定度为5×10^-5，如果测量范围频带为10kHz，则仪器稳定性仅1%；若测量范围频带扩大为100kHz，则仪器稳定性提高为0.1%。

3.5.4　电涡流式传感器的应用

电涡流式传感器的应用非常广泛，下面就几种典型应用作一简单介绍。

1.测位移

电涡流式传感器的主要用途之一是用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。目前电涡流位移传感器的分辨力最高已做到0.05μm（量程0～15μm）。凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。

图3-49为用电涡流式传感器构成的液位监控系统。如图所示，通过浮子3与杠杆带动涡流板1上下位移，由电涡流式传感器2发出信号控制电动泵的开启从而使液位保持一定。

图3-49　液位监控系统

图3-50　测金属板厚度示意图

2.测厚度

除前已介绍的低频透射式电涡流传感器外，高频反射式电涡流传感器也可用于厚度测量。后者测板厚时，金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。图3-50所示为此应用一例。为克服金属板移动过程中上下波动及带材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器L₁与L₂。由图可知，板厚d＝D-（x₁＋x₂）。工作时，两个传感器分别测得x₁和x₂。板厚不变时，（x₁＋x₂）为常值；板厚改变时，代表板厚偏差的（x₁＋x₂）所反映的输出电压就会发生变化。测量不同厚度的板材时，可通过调节距离D来改变板厚设定值，并使偏差指示为零。这时，被测板厚即板厚设定值与偏差指示值的代数和。

除上述非接触式测板厚外，利用电涡流式传感器还可制成金属镀层厚度测量仪、接触式金属或非金属板厚测量仪。

除此以外:（1）利用多个传感器沿转轴轴向排布，可测得各测点转轴的瞬时振幅值，从而作出转轴振型图；（2）利用两个传感器沿转轴径向垂直安装，可测得转轴轴心轨迹；（3）在被测金属旋转体上开槽或作成齿轮状，利用电涡流传感器可测出该旋转体的旋转频率或转速；（4）电涡流传感器还可用作接近开关，金属零件计数，尺寸或表面粗糙度检测，等等。

由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，电涡流传感器常用于在线检测位移和厚度。