3.3涡流式传感器.docVIP

PAGE  PAGE 5 3.3 涡流式传感器 电感线圈通一交变电流，导线周围就会产生的变化的磁场，将导体置于此磁场中，磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回线，类似于水涡流形状，故称之为电涡流，简称涡流，如图3.3.1所示。这种现象叫涡流效应。涡流式传感器就是利用涡流效应来工作的。 涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、金属导体的厚度、线圈激励信号频率以及线圈与金属导体间的距离等参数有关。若只改变某一参数，固定其余参数，电涡流的就成为这一参数的单值函数。 由于涡流深度与传感器线圈的激励信号频率有关，频率越高，穿透深度越小，频率越低，穿透深度越小，故电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式，它们基本工作原理相似，这里以高频反射式涡流传感器为例说明其原理及特性。 3.3.1 工作原理 设图3.3.1中，有一通以交变电流的传感器线圈，由于的存在，线圈周围就产生一个交变磁场。若被测导体置于该磁场范围内，由法拉第电磁感应定律，导体内将产生电涡流，也将产生一个新磁场，且的方向与相反，力图削弱的作用，从而使激励线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。 图3.3.1电涡流传感器的基本原理 图3.3.2电涡流传感器的等效电路 为分析方便，建立电涡流传感器的简化模型以得到其等效电路。将被测导体看作一短路环，其上形成的电涡流等效为短路环中的电流，和为短路环的等效电阻和电感，如图3.3.2所示，设线圈的电阻为，电感为，加在线圈两端的激励电压为。线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈，它们之间的互感系数是距离的函数，随的增大而减小。 对电涡流传感器的等效电路，根据基尔霍夫电压定律，列出回路1和回路2的电压平衡方程 解方程可得到回路内的电流和，并可进一步求得传感器线圈受金属导体影响后的等效阻抗为 其等效电阻、电感分别为 传感器线圈的品质因数为 其中为无涡流影响的值，为导体等效短路环阻抗，且 由上面的分析看出： 1）由于涡流的影响，线圈等效阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此品质因数值下降。 2）影响线圈、、变化的因素有导体的性质（、）、线圈的参数（、）、电流的频率以及线圈与导体间的互感系数。由于线圈、、的变化与、及有关，因此将电涡流式传感器归为电感式传感器。 3）线圈的、、都是系统互感系数平方的函数，当构成电涡流传感器时，、、都是非线性函数。但在一定范围内，可将这些函数近似地用线性函数表示，于是就可通过测量、、的变化线性地获得位移的变化。 总之，电涡流传感器的工作原理可总结为：当传感器线圈与被测导体间距离远近不同时，它们间的耦合程度不同，反映出线圈的、、的变化就不一样，通过测量、、的变化，就可得到位移量的变化。 3.3.2 结构类型 1 高频反射式 高频反射式又叫变间隙式，变间隙式电涡流传感器的结构见图3.3.3，它由扁平线圈固定在框架上构成。其中，线圈采用高强度多股漆包线绕制而成，位于传感器的端部；线圈框架采用损耗小、电绝缘性能良好的聚四氟乙烯等材料制作；支座用于固定传感器；电缆和插头接后续测量电路，由于激励频率高，必须采用专用的高频电缆和插头。 由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体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、尺寸及形状都与传感器特性密切相关。 这种传感器，其被测金属导体内产生的涡流要消耗能量，且其产生的附加磁场抵消掉一部分原线圈产生的磁场，故叫反磁场。这些作用都将“反射”回原激励线圈，改变原线圈的阻抗，从而可以测量金属材料到线圈的距离。 图3.3.4所示的是被测体直径对灵敏度的影响，纵坐标为相对灵敏度，横坐标表示被测体直径与线圈直径的比值。由图看出，当时，灵敏度将减小一半。为充分利用电涡流效应，被测体的直径不应小于线圈直径的1.8倍，即。 同样，对被测体厚度也有一定的要求，一般厚度需大于0.2mm，当然，这与激励频率有关，激励频率越高，穿透深度越浅，反射效果越好。 图3.3.3 电涡流传感器的结构 图3.3.4被测体直径对灵敏度的影响 2 低频透射式 电涡流传感器低频透射式电涡流传感器，其激励频率低，贯穿深度大，透射效果越好，适用于测量金属材料的厚度，结构如图3.3.5所示。 图3.3.5低频透射式电涡流传感器 图3.3.6 不同频率下的曲线 图3.3.5中，传感器由发射线圈和接收线圈组成，它们分别位于被测金属板材的两侧。当低频激励电压加到的两端时，将在的两端产生感应电压。若两线圈之间无金属导体，的磁场就能直接贯穿，这时幅值最大。当有金属板后，将产生涡流，削弱的磁场，造成幅值下降。金属板越厚，涡流损