3.3渦流式傳感器

1、13.33.3渦流式傳感器渦流式傳感器電感線圈通一交變電流，導(dǎo)線周圍就會(huì)產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)，將導(dǎo)體置于此磁場(chǎng)中，磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，且呈閉合回線，類似于水渦流形狀，故稱之為電渦流電渦流，簡(jiǎn)稱渦流，如圖3.3.1所示。這種現(xiàn)象叫渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是利用渦流效應(yīng)來(lái)工作的。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、金屬導(dǎo)體的厚度、線圈激勵(lì)信號(hào)頻率以及線圈??h?與金屬導(dǎo)體間的距離等參數(shù)有關(guān)。若只改變某一參數(shù)

2、，固定其余參數(shù)，電渦流的就成為這一參數(shù)的單x值函數(shù)。由于渦流深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào)頻率有關(guān)，頻率越高，穿透深度越小，頻率越低，穿透深度越小，故電渦流傳感器可分為高頻反射式高頻反射式和低頻透射式低頻透射式，它們基本工作原理相似，這里以高頻反射式渦流傳感器為例說(shuō)明其原理及特性。3.3.13.3.1工作原理工作原理設(shè)圖3.3.1中，有一通以交變電流的傳感器線圈，由于的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)1I?1I?。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)

3、，由法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)1H2I?2I?新磁場(chǎng)，且的方向與相反，力圖削弱的作用，從而使激勵(lì)線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)2H2H1H1H發(fā)生變化。圖3.3.1電渦流傳感器的基本原理圖3.3.2電渦流傳感器的等效電路為分析方便，建立電渦流傳感器的簡(jiǎn)化模型以得到其等效電路。將被測(cè)導(dǎo)體看作一短路環(huán)，其上形成的電渦流等效為短路環(huán)中的電流，和為短路環(huán)的等效電阻和電感，如圖3.3.2所示，設(shè)線圈的電2R2L阻為，電感為

4、，加在線圈兩端的激勵(lì)電壓為。線圈與被測(cè)導(dǎo)體等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，它1R1L1U?們之間的互感系數(shù)是距離的函數(shù)，隨的增大而減小。??Mxxx對(duì)電渦流傳感器的等效電路，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列出回路1和回路2的電壓平衡方程111121222210RIjLIjMIURIjLIjMI??????????????????????解方程可得到回路內(nèi)的電流和，并可進(jìn)一步求得傳感器線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為1I?2I?222211212222

5、22212222UMMZRRjLLIRLRL????????????????????3圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，故叫反磁場(chǎng)。這些作用都將“反射”回原激勵(lì)線圈，改變?cè)€圈的阻抗，從而可以測(cè)量金屬材料到線圈的距離。圖3.3.4所示的是被測(cè)體直徑對(duì)靈敏度的影響，縱坐標(biāo)為相對(duì)靈敏度，橫坐標(biāo)表示被測(cè)體直kDd徑與線圈直徑的比值。由圖看出，當(dāng)時(shí)，靈敏度將減小一半。為充分利用電渦流效應(yīng)，被測(cè)12Dd?體的直徑不應(yīng)小于線圈直徑的1.8倍，即。1.8Dd?同樣，對(duì)被

6、測(cè)體厚度也有一定的要求，一般厚度需大于0.2mm，當(dāng)然，這與激勵(lì)頻率有關(guān)，激勵(lì)h頻率越高，穿透深度越淺，反射效果越好。圖3.3.3電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)圖3.3.4被測(cè)體直徑對(duì)靈敏度的影響2低頻透射式低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器，其激勵(lì)頻率低，貫穿深度大，透射效果越好，適用于測(cè)量金屬材料的厚度，結(jié)構(gòu)如圖3.3.5所示。2U?2U?圖3.3.5低頻透射式電渦流傳感器圖3.3.6不同頻率下的曲線2()Ufh??圖3.3.5中，傳

7、感器由發(fā)射線圈和接收線圈組成，它們分別位于被測(cè)金屬板材的兩側(cè)。當(dāng)?shù)?L2LM頻激勵(lì)電壓加到的兩端時(shí)，將在的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若兩線圈之間無(wú)金屬導(dǎo)體，的磁場(chǎng)1U?1L2L2U?1L就能直接貫穿，這時(shí)幅值最大。當(dāng)有金屬板后，將產(chǎn)生渦流，削弱的磁場(chǎng)，造成幅值下降。2L2U?1L2U?金屬板越厚，渦流損耗越大，幅值就越小。因此可利用幅值的大小來(lái)反映金屬板的厚度。2U?2U?同一材料在不同頻率下，其輸出電壓與板材厚度的關(guān)系如圖3.3.6所示。由圖