传感器课程考核论文 - 图文

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

考 核 论 文

题 目 电 涡 流 式 位 移 传 感 器

班 级 机设6班 学 号 2013210454 姓 名 郑 鹏 亮 成 绩

机械与汽车工程学院 机械电子工程系

二零一六 年 五 月

《传感器原理及应用》课程

电涡流式位移传感器

摘要：由于电涡流式传感器的测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强以及可以

非接触测量等优点。广泛应用于检测机械位移、振幅、及材料的物理参数等，目前该传感器被广泛应用于电力、石油、煤炭、化工、冶金等行业和一些科研单位。本文对电涡流式位移传感器的工作原理、构成、测量电路等进行了阐述，使读者对电涡流式传感器的基础知识和应用有一定的了解。

关键词：电涡流式位移传感器；工作原理；测量电路

0 引言

电涡流现象的发现可追溯到1831年，法拉第(Michael Faradays)发现了电磁感应现象，1879年，休斯(Hughes)记录下了当线圈靠近具有不同电导率及磁导率的金属导体时，其本身特性的变化情况，但直到第二次世界大战，电涡流效应才被实际用于金属导体材料的探测。20世纪50及60年代，美国本特利公司和德国的Rentique研究所相继研究了电涡流传感器原理，并逐步发展出了产品及仪器。目前，电涡流检测方法及传感器已经成为一种精确度高、应用广泛的传感器。上世纪60年代，冶金、航空和有色金属等行业就已经开始采用涡流来检测成型金属管材的表面缺陷，但因涡流检测技术发展不足，在分辨率和可靠性及抑制干扰等方面存在缺陷，检测仅仅局限于导电材料的表面。直到80年 代后期，才取得一定突破，90年代以来，其应用领域更是扩展到航空航天、核工业、电力、石油、化工、机械、冶金等部门。随着工业生产和科学技术发展对电涡流检测技术的要求日益增高，电涡流检测技术及传感器的应用将会越来越广泛。

近年来，电涡流检测技术越来越多的受到无损检测工作者的青睐，同其他无损检测技术相比，它具有非接触、无污染、操作方便等特点。这项基于电磁感应原理的一种新兴检测技术，通过利用麦克斯韦方程及其边界条件对处于敏感探头形成的电磁场中的被测金属导体及其周围空间区域列出方程并进行求解，对探头线圈的阻抗特性的变化与被测体各影响因素之间的关系加以确定。

本文对电涡流式位移传感器的工作原理、测量电路、传感器的结构与选型进行了阐述，使读者对电涡流式传感器的基础知识和应用有一定的了解。

1 物理效应----涡流效应

电涡流：当通过金属导体的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流。

这种电流在导体中是自行闭合的。

涡流效应：当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中做切割磁力线运动是，导体内就会产生呈涡旋状的感应电流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，

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从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，该物理现象称为涡流效应。

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，导体内将产生电涡流，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，导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。

形成涡流的必备两个条件：①存在交变磁场；②导体处于交变磁场中。涡流的大小与导体的电阻率ρ、磁导率μ以及产生交变磁场的线圈与被测导体之间的距离x，线圈的激励电流的频率f有关。显然磁场变化频率越高，涡流的集肤效应越明显，即涡流的穿透深度越小，其穿透深度可用下式表示

h?5030式中：ρ-------导体的电阻率（?*CM） μ-------导体的相对磁导率 f-------交变磁场的频率（Hz）

? ?f由上式可知涡流穿透深h和激励电流频率f有关，所以涡流传感器根据激励频率高低，可以分为高频反射式和低频透射式两大类，目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。 2 结构和工作原理

高频反射式电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置在框架上的扁平圆形

线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或者在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图所示为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。

如图传感器线圈由高频信号激励，使他产生一个高频交变磁场?i，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场?e阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测导体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转化成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。 3测量电路

根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L等三个参数，用相应的测量电路来测量。电涡流式传感器的测量电路可以归纳为：高频载波调幅式和调频式两类。而高频载波调幅式又可分为恒定频率的载波调幅与频率变化的载波调幅两种。所以根据测量电路可以把电涡流式传感器分为三种类型，即：恒定频率调幅式、变频调幅式和调频式。

（一）载波频率改变的调幅法和调频法

该测量电路的核心是一个电容三点式振荡器，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件，如图所示：

当无被测导体时，回路谐振于f0，此时Q值最高，所以对应的输出电压U0最大。当被测导体接近传感器线圈时，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线不但向两边移动，而且变的平坦。此时由传感器回路组成的振荡器输出电压的频率和幅值均发生变化，如图所示：

设其输出电压分别为U1、U2?，振荡频率分别为f1、f2?，假如我们直接取它的输出电压作为显示量，则这种线路就称为载波频率改变的调幅法。它直接反应了Q值得变化，因此可用于以Q值作为输出的电涡流传感器。若取改变了的频率作为显示量，那么就用来测量传感器的等效电感量，这种方法称为调频法。 这个测量电路是由下述三个部分组成的。

①电容三点式振荡器。其作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转化为高频载波信号幅值变化。为使电路具有较高的效率而自行起振，电路采用自给偏压的办法。适当选择振荡管的分压电阻的比值，使电路静态工作点处于甲乙类。 ②检波器。检波器由检波二极管和π形滤波器组成，采用π形滤波器可适应电流

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