傳感器第四章電渦流傳感器課件

§4-1電渦流式傳感器的工作原理一、基本原理一個(gè)通有交流電流J1的傳感器線(xiàn)圈，由于電流的變化，在線(xiàn)圈周?chē)彤a(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。渦電流

被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)周?chē)畠?nèi)，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)變會(huì)產(chǎn)生電渦流J2，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)H2。

H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線(xiàn)圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生改變?？棺桦姼衅焚|(zhì)因數(shù)二、等效電路分析將渦電流等效為一個(gè)短路環(huán)，則等效電路為：由克?；舴蚨?，得：式中，R1，L1_為線(xiàn)圈電阻、電感；R2，L2_金屬導(dǎo)體的電阻和電感M_互感系數(shù)解：記線(xiàn)圈等效阻抗：線(xiàn)圈等效電阻線(xiàn)圈等效電感圈的品質(zhì)因數(shù)：金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的渦電流環(huán)的阻抗Q0無(wú)渦流影響（4）由于渦流損耗能量，使線(xiàn)圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增加，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)Ｑ值下降(與金屬材料的導(dǎo)磁性無(wú)關(guān))。討論（1）阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)都與互感系數(shù)M有關(guān)。M與x為非線(xiàn)性關(guān)系，x,M，所以：（2）若被測(cè)體為磁性材料，則x減小，有效磁導(dǎo)率增大，于是L1也增大；若被測(cè)導(dǎo)體為非磁性材料，有效磁導(dǎo)率與x無(wú)關(guān)，于是L1=const.;（3）由于渦電流的存在，使得等效電感L減小，而且，x減小，L也減小越多

；一、電渦流與軸向距離的關(guān)系由線(xiàn)圈－導(dǎo)體的電磁作用，可得導(dǎo)體中電渦流為：§4-2電渦流形成的范圍電渦流不僅是距離x的函數(shù)，而且只在被測(cè)導(dǎo)體的表面薄層及半徑的有限范圍內(nèi)形成。1、電渦流隨軸向距離x的增加而迅速減??；即：討論2、為了獲得較強(qiáng)的電渦流效應(yīng)，應(yīng)保證：一般：一種簡(jiǎn)化的模型如圖。導(dǎo)體假設(shè)只有一個(gè)環(huán)，而環(huán)中的電渦流密度（電流/單位面積）是半徑的函數(shù)：二、渦電流的徑向形成范圍被測(cè)金屬線(xiàn)圈外半徑線(xiàn)圈內(nèi)半徑線(xiàn)圈結(jié)論討論1、當(dāng)時(shí)，即在線(xiàn)圈外徑處，電渦流密度最大（＝j(luò)o)；2、在線(xiàn)圈的軸線(xiàn)附近，電渦流非常小，可以設(shè)想為一個(gè)孔，這個(gè)孔的孔徑為 ；3、當(dāng)（稱(chēng)“有效外徑”時(shí)，電流密度衰減到最大值的5％）－金屬表面渦流密度（即最大電流密度）；ｔ－趨膚深度（軸向貫穿深度）；在距離導(dǎo)體表面x=t處，該處渦流密度為：三、電渦流的軸向貫穿深度由于“趨膚效應(yīng)”，渦流密度在金屬導(dǎo)體中的軸向分布按指數(shù)規(guī)律衰減：－金屬導(dǎo)體中某點(diǎn)距離金屬表面x的電渦流密度；“趨膚效應(yīng)”(集膚效應(yīng)）—交流電通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于感應(yīng)作用，引起導(dǎo)體截面積上電流分布不均勻；越近導(dǎo)體表面，電流密度越大。則該深度即為趨膚深度（或軸向貫穿深度）。貫穿深度值可由下式計(jì)算：導(dǎo)體電阻率；相對(duì)磁導(dǎo)率；激勵(lì)頻率（1）貫穿深度與被測(cè)體的材料有關(guān)；（2）當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體材料一定時(shí)。軸向貫穿深度是激勵(lì)頻率的函數(shù)。頻率越高，趨膚深度越小。討論(cm)§4-3電渦流傳感器的設(shè)計(jì)一、線(xiàn)圈的形狀和大小在線(xiàn)圈中，取單匝載流圓導(dǎo)線(xiàn)，在其軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度：畢奧－沙法－拉普拉斯定律bsrosdrrisBpxrx傳感器線(xiàn)圈在軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度rdxp討論半徑較小處（r↓）,則越接近（線(xiàn)圈）導(dǎo)線(xiàn)（x↓），磁感應(yīng)強(qiáng)度越大（Bp↑）；而在遠(yuǎn)離（線(xiàn)圈）導(dǎo)線(xiàn)的地方（x↑）,則半徑大的地方（r↑

）

，磁感應(yīng)強(qiáng)度大（Bp↑）

。K=36*10-10（激勵(lì)電流不變）考慮扁平導(dǎo)線(xiàn)，單位面積上的電流密度：取通過(guò)截面積為dxdr處的圓形電流：此電流在軸上x(chóng)處所產(chǎn)生的磁感應(yīng)為：則，整個(gè)載流扁平線(xiàn)圈在x處所產(chǎn)生的總的磁感應(yīng)強(qiáng)度：1、線(xiàn)圈外徑越大，線(xiàn)圈的磁場(chǎng)軸向分布范圍（即線(xiàn)性范圍）越大，但是磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化的梯度（即靈敏度）越?。环粗嗳?。2、線(xiàn)圈內(nèi)徑的變化對(duì)線(xiàn)性范圍和靈敏度影響不大。3、線(xiàn)圈厚度的變化對(duì)線(xiàn)性范圍和靈敏度影響不大。討論線(xiàn)圈外徑影響線(xiàn)圈內(nèi)徑影響線(xiàn)圈厚度影響§4－4被測(cè)體材料形狀和大小的影響一、被測(cè)體材料的影響被測(cè)體材料傳感器線(xiàn)圈的阻抗靈敏度1、被測(cè)體電導(dǎo)率線(xiàn)圈等效阻抗

電渦流

靈敏度

2、非磁性體比磁性體的測(cè)量靈敏度高：

即磁性材料靈敏度低。渦流效應(yīng)引起變化

L線(xiàn)圈的等效電感3、若被測(cè)體表面有鍍層且不均勻，

則當(dāng)激勵(lì)頻率

使趨膚深度，干擾影響強(qiáng)烈。

A二、被測(cè)體大小形狀的影響為了充分地有效利用電渦流效應(yīng)，被測(cè)體的大小、形狀應(yīng)不影響電渦流形成的有效范圍。否則靈敏度下降。(1)被測(cè)體的面積要求>>線(xiàn)圈面積圓柱體被測(cè)體直徑>線(xiàn)圈直徑的3.5倍以上。(2)厚度要求>0.2mm三、被測(cè)體周?chē)艌?chǎng)對(duì)測(cè)量的影響(2)測(cè)量非磁性材料時(shí)，周?chē)拇艌?chǎng)對(duì)測(cè)量無(wú)影響。(3)而測(cè)量磁性材料時(shí)，周?chē)拇艌?chǎng)若ｙ方向，則對(duì)測(cè)量有影響。(1)傳感器線(xiàn)圈周?chē)粶y(cè)導(dǎo)體外，應(yīng)盡可能避開(kāi)其他導(dǎo)體。有影響無(wú)影響四、傳感器安裝對(duì)測(cè)量的安裝傳感器線(xiàn)圈（未加屏蔽時(shí)）與非被測(cè)金屬之間，至少需要相距一個(gè)線(xiàn)圈的直徑大小傳感器殼體（非被測(cè)金屬）被測(cè)體一、電橋電路（阻抗變換電路）兩個(gè)傳感器線(xiàn)圈當(dāng)被測(cè)體與線(xiàn)圈耦合時(shí)，電橋失衡

經(jīng)放大橋波輸出

§4－5測(cè)量電路用于差動(dòng)式電渦流傳感器如圖兩個(gè)渦電流傳感器組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)L1L2二、諧振法：諧振頻率諧振時(shí)，回路的阻抗最大：將線(xiàn)圈電感Ｌ與固定電容并聯(lián)成諧振電路。R’R’－回路的等效損耗電阻當(dāng)電感L發(fā)生變化時(shí)，回路的等效阻抗和諧振頻率也發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量回路中阻抗或諧振頻率的方法即可以間接反映傳感器的測(cè)量值；測(cè)量方法：調(diào)幅法和調(diào)頻法?！?－6其它形式的電渦流傳感器u1u2L1L2h低頻電渦流測(cè)