电涡流传感器及高精度测量电路

08 电涡流探雷器——电涡流式传感器的测试项目描述•为排除地表下埋入的地雷，战士们常用便携式探雷器来探测地表，当探雷器探测到地表下的地雷时就会发出报警提示信号，然后进行排除地雷，如图8-1 所示。

•便携式探雷器是利用电涡流效应原理来工作的，所以又叫电涡流探雷器。

这种探测器除了用于探测地雷，还被广泛运用在机场安检用的金属安检门、探钉器、手持金属探测器、考古用的地下金属探测器等，虽然这些探测器并不叫探雷器，但是它的工作原理和用途都跟探雷器是一样的。

•通过本项目的学习，主要给大家介绍电涡流式探测器（电涡流式传感器）的工作原理及相关传感器。

4知识准备•（一）电涡流传感器工作原理• 1.电涡流效应•根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流, 此电流叫电涡流, 以上现象称为电涡流效应。

——电涡流在我们日常生活中应用干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理图高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。

»2．电涡流传感器的等效电路和工作原理•（1）等效电路•（2）工作原理•电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率ω有关，还与线圈与导体间的距离x有关。

因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为•Z=F（ρ, μ, R,ω, x）•如果保持上式中其他参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。

通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。

（二）电涡流基本特性• 1. 电涡流的径向形成范围•当x一定时, 电涡流密度J与半径r的关系曲线•由图可知：•电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径r as 的1.8～2.5 倍范围内, 且分布不均匀。

•电涡流密度在短路环半径r =0处为零。

电涡流传感器位移实验报告背景电涡流传感器是一种非接触式位移传感器，广泛应用于工业领域中的位移测量。

它基于涡流效应，通过感应涡流的变化来测量目标物体的位移。

在实验中，我们使用了一种常见的电涡流传感器，将其应用于位移测量，并对其性能进行了评估和分析。

实验目的本实验旨在通过测量电涡流传感器对不同位移的响应，评估其性能指标（如灵敏度、线性度等），并提出相应的改进建议，以提高位移测量的精确性和稳定性。

实验装置与方法实验装置•电涡流传感器：型号ABC-123，频率范围0-10kHz•信号发生器：频率范围0-10kHz，可调幅度•示波器：带宽100MHz，采样率1GS/s•电压表：精度0.1mV实验步骤1.准备实验装置，保证电涡流传感器与信号发生器、示波器的连接正确。

2.设置信号发生器的频率为2kHz，并将幅度调至适当水平。

3.将电涡流传感器固定在实验台上，使其与目标物体相对静止并平行。

4.使用示波器测量电涡流传感器输出的电压信号，并记录数据。

5.调整信号发生器的频率和幅度，重复步骤4，以获得不同位移下的电压信号。

数据分析与结果实验数据我们通过实验获得了电涡流传感器在不同位移下的电压信号数据，如下所示：位移 (mm) 电压 (mV)0 1.21 1.52 1.83 2.14 2.45 2.7曲线拟合与性能评估我们将实验数据进行曲线拟合，以评估电涡流传感器的性能指标。

首先，我们使用最小二乘法对数据进行线性拟合。

得到的拟合直线的方程为：V = 0.3d + 1.2其中V表示电压(mV)，d表示位移(mm)。

通过拟合直线，我们可以计算出电涡流传感器的灵敏度为0.3 mV/mm，表示单位位移引起的电压变化量。

其次，我们计算了电涡流传感器的线性度。

线性度是衡量传感器输出与输入之间线性关系程度的指标，通常以百分比表示。

通过计算每个数据点与拟合直线之间的残差，并将其转化为线性度，我们得到了电涡流传感器的线性度为95%。

结果分析与建议通过对实验数据的分析和性能评估，我们得到了以下结论：1.电涡流传感器表现出良好的线性关系，其灵敏度为0.3 mV/mm。

电涡流传感器电路设计作者：汪晓凌杜嘉文来源：《硅谷》2013年第01期摘要：在无损测量当中，电涡流传感器测量因为能够实现工件在线非接触测量，测量精度高、无污染、制作价格低廉等优点，一直被作为一种重要的检测设备，在涡流技术高速发展的今天，电涡流的优势越来越明显应用也越来越广泛。

电涡流传感器是电涡流测量淬火层厚度的核心部分，传感器的测量精度直接影响整个测厚设备的精度，传统的电涡流传感器包括测量探头、整流滤波电路的设计、放大器的设计等，电涡流传感器的精确测量也离不开位移测厚标定器，这里主要研究电涡流测厚核心电路的设计。

关键词：无损测量；电涡流；测厚；电路0 引言电涡流无损检测具有很悠久的历史，从Michael Faradays总结出电磁感应定律，即变化的磁场能产生电场以来，电磁感应相关技术取得了巨大的发展。

后来Foster提出的通过分析系统的阻抗变化来分析涡流检测仪的干扰因素，为涡流检测提供了很好的理论依据，大大推动了电涡流无损检测技术的发展。

通过对阻抗分析法的有效运用，电涡流测量技术已经渗透到我们工业测量的方方面面，包括了航空航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、机械、汽车等部门，电涡流无损技术的快速发展，相关研究和运用也越来越广泛，其中传感器的电路设计和测量精度的控制都是研究的焦点。

1 涡流检测原理图涡流检测是无损检测的一个分支，是运用电磁感应原理，将一半径为r的线圈通过正弦波电流后，线圈周围就会产生一交变磁场H1；若在距线圈x处有一电导率为a，磁导率为u厚度为d的金属板，线圈周围的交变磁场会在金属表面产生感应电流，也称作涡流。

金属表面也产生一个与原磁场方向相反的相同的相同频率的磁场H2，反射到探头线圈，导致载流线圈的阻抗和电感的变化，改变了线圈的电流大小及相位，原理图如图1所示。

图1 电涡流测厚原理图2 测厚探头的设计图2 电涡流测量电路整体设计图电涡流测量电路的整体测量电路设计图如图2所示，涡流探头测量物体厚度后引起阻抗的变化，通过电桥电路转化成电流信号输出，也由于信号很微弱，需要经过放大器进行功率放大输出，经过整波电路，把交流信号转化为直流信号，然后把那些高频的还有低频的号过滤掉，得到干扰较小的电流信号，经过放大器尽心比例放大后接入ARM7的A/D转换接口，把模拟信号转化为数字信号，对信号进行控制然后接入数字示波器，观察波形输出，把结果通过PC 机显示出来[1]。

4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。

2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。

图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。

石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。

当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。

因此，输出电压也随x而变化。

输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。

图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。

3、特点✧调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。

✧调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。

4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。

试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。

【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。

S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。

若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。

电涡流传感器V-n 曲线图
U/V
转速n /r p m 电涡流传感器转速测量实验报告
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量转速的原理与方法。

二、实验仪器：
电涡流传感器、转动源、+5V 、+4、±6、±8、±10V 直流电源、电涡流传感器模块
三、实验原理：
根据电涡流传感器对不同材质的被测物输出不同和静态位移特性，选择合适的工作点即可测量转速。

四、实验内容与步骤
1、将电涡流传感器安装到转动源传感器支架上，引出线接电涡流传感器实验模块。

2、合上主控台电源，选择不同电源+4V 、+6V 、+8V 、+10V 、12V （±6）、16V （±8）、20V （±
10）、24V 驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后，记录驱动电压对应的转速，也可用示波器观测磁电传感器输出的波形。

五、数据分析与记录
1、数据记录表格
2、用matlab 绘制的V -n 曲线图如下图所示
3、电涡流传感器传感器测量转速原理
传感器线圈由信号激励，使它产生一个交变磁场，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，而此电涡流又将产生一交变磁场阻碍外
磁场的变化。

因此当被测体与传感器间的距离改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L 均发生变化，于是把位移量转换成电量。

六、实验报告
1．分析电涡流传感器传感器测量转速原理。

2．根据记录的驱动电压和转速，作V-n曲线。

新型电涡流传感器测量电路设计分析摘要：在新型电涡流传感器测量电路设计上，应该分析多点技术内容，例如基于传统接触式测量技术在实际应用中的缺陷，即可建立一种全新的测量电路实验平台，分析其设计技术方法，并对电路设计实验结果进行了阐述。

关键词：新型电涡流传感器；测量电路设计；实验平台；设计方法；实验结果工程检验施工中需要对多种物理量检测数据进行分析，最终归结转化获得机械位移量，如此对监控提高检测仪器性能是很有帮助的。

例如针对新型电涡流传感器的测量电路设计分析需要提高测量灵敏度与准确度，优化测量电路设计动态范围，要结合传感器测量电路的稳定运行性能与运行恶劣环境进行分析。

1.新型电涡流传感器的工作原理分析新型电涡流传感器的基本构成包括了延伸电缆、探头线圈、信号处理模块以及被测体四大部分。

在设备运行过程中，需要分析交变磁场变化，对其有效运行范围进行分析，了解被测体靠近过程中磁场能量的损失变化。

此时被测体中会产生电涡流产生交变磁场，其中磁场反作用可确保线圈电流大小与相位变化，分析线圈阻抗变化情况，并对新型电涡流传感器的涡流场反作用问题进行分析，如图1[1]。

图1新型电涡流传感器的基本构成结构示意图如图1，在线圈阻抗变化过程中，需要分析被测体电导率、线圈几何参数、线圈被测体之间的相互控制距离进行分析，深入了解被测体的电阻率、磁导率以及厚度变化情况。

如此可建立高频放射式测距涡流传感器，并对低频透射测厚涡流传感器内容进行分析，提出相关技术解决方案。

简言之，它所建立的是围绕被测体、输入电流、线圈、磁场能量耦合、电涡流所共同构建的新型电涡流传感器系统技术体系[2]。

1.新型电涡流传感器测量电路的设计流程与设计方法1.设计流程1建立布线图在新型电涡流传感器测量电路设计流程中，需要首先采用印制板并设计电源线与地线，它可为电路正常工作提供不竭电源动力，同时配置导线内容，建立影响电路板电磁兼容的导线部分。

在设计过程中，需要对地线组合所形成的电容部分进行分析，建立地线电路基准，确保多个电路都能提供0V参考电压，分析朱电磁干扰情况，结合底线对PCB到点面积分布均匀性进行分析，建立新型电涡流传感器测量电路机制，避免出现串扰问题。

电涡流传感器的应用及其原理一、电涡流传感器的定义和工作原理电涡流传感器（Eddy Current Sensor）是一种利用电涡流效应来测量物体的位置、形状和金属导电性质的传感器。

它主要由一个射频发生器、一个发射线圈、一个接收线圈和一个信号处理器组成。

其工作原理是：当射频发生器发出高频电流时，经过发射线圈产生一个交变磁场。

当位置传感对象靠近或远离线圈时，它的电气特性会改变。

这种变化会引起感应电流的变化，进而改变接收线圈中的感应电压。

通过测量感应电压的变化，可以确定物体的位置和形状。

二、电涡流传感器的应用领域1. 无损检测由于电涡流传感器可以检测导体的导电性质和缺陷，因此在无损检测领域有着广泛的应用。

特别是在航空航天、汽车制造和金属加工等行业中，电涡流传感器可以用于检测金属表面的裂纹、孔洞和磨损等缺陷，用于保证产品质量和安全性。

2. 位置测量电涡流传感器可以在工业生产中用于测量物体的位置和运动状态。

例如，在机械加工中，可以使用电涡流传感器来监测机床上刀具的位置和运动轨迹，以确保加工的精度和效率。

3. 锁定和控制系统电涡流传感器还可以用于锁定和控制系统中。

例如，在磁浮列车和高速列车中，电涡流传感器可以用于测量列车与轨道之间的距离和速度，以实现自动控制和安全运行。

4. 材料分析电涡流传感器可以帮助研究人员分析材料的导电性质和组成。

在材料科学和工程学中，电涡流传感器可以用来测量材料的电导率、磁导率和电磁参数等信息，以评估材料的性能和质量。

三、电涡流传感器的优势和局限性1. 优势•非接触测量：由于电涡流传感器不需要与目标物体直接接触，因此可以避免物体表面的损伤和污染。

•高灵敏度：电涡流传感器可以检测微小的变化，对于需要高精度和精确测量的应用非常适用。

•快速响应：电涡流传感器的应答时间非常短，可以实时监测物体的状态变化。

2. 局限性•受金属材料影响：电涡流传感器主要用于检测金属导体，对于非金属导体的测量效果较差。

新型电涡流传感器测量电路设计电涡流传感器是一种能够将金属中的涡流效应转换为电信号的传感器，广泛应用于工业领域的位移、速度和金属表面缺陷等测量。

而新型电涡流传感器测量电路设计则是针对传感器测量信号处理的核心部分，其设计的好坏直接关系到传感器测量精度和稳定性。

这篇文章将从深度和广度的角度，全面评估新型电涡流传感器测量电路设计的关键要素，并探讨其在工业应用中的重要性。

1. 传感器原理及特点在进行新型电涡流传感器测量电路设计之前，首先需要了解传感器的工作原理和特点。

电涡流传感器利用涡流效应来检测金属表面的缺陷或测量金属零件的尺寸、形状等参数。

其工作原理是当金属表面被感应线圈的交变磁场影响时，会在金属内部产生涡流，并产生一个感应电动势，感应线圈测量出这个电动势，从而实现对金属的测量。

而新型电涡流传感器相比传统传感器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更广的测量范围。

2. 传感器测量电路设计要求在进行新型电涡流传感器测量电路设计时，需要考虑的关键要素包括信号放大、滤波、AD转换、数字信号处理等。

对于传感器的微弱信号，需要进行有效的放大处理，以提高信噪比和测量灵敏度；由于传感器信号可能存在噪声等干扰，需要设计合适的滤波电路来滤除杂散干扰，保证信号质量；另外，为了实现对信号的数字化处理和后续数据处理，还需要进行AD转换和数字信号处理的设计；对于工业现场的使用，还需要考虑电涡流传感器测量电路的稳定性和抗干扰能力。

3. 设计方案及优化在新型电涡流传感器测量电路设计中，可以采用多种电路设计方案来实现对传感器信号的高精度采集和处理。

常见的方案包括差动放大电路、滤波电路、高速AD转换电路等。

对于特定应用场景，可以根据实际需求选取合适的电路方案，并通过仿真、实验等手段对电路进行优化。

在差动放大电路中，可以采用低噪声、低偏置电流的运算放大器来实现微弱信号的放大，提高测量精度；在滤波电路中，可以采用低通滤波器来滤除高频噪声，保证信号的准确性。

中国石油大学 传感器 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：电涡流行程传感器及转速测量【实验目的】1. 了解电涡流传感器的原理及被测体材料对涡流传感器的影响。

2. 学会用示波器观察激振状态下的调制波形。

3. 学会用频率计、转速表测量转速。

【实验原理】1. 电涡流传感器工作原理如果将一个绕在骨架上的空心线圈与正弦交流电源接通,流过线圈的电流会在线圈周围空间产生交变磁场。

当将导电的金属接近该线圈时，金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，这种电流称为“电涡流”，如图2-1（a ）所示。

涡流的大小和金属导体的电阻率ρ，磁导率μ、厚度t 、线圈与金属导体的距离X ，以及线圈励磁电流的交变频率ω等参数有关。

如果固定其中某些参数，就可根据涡流的大小来测量出另外一些参数。

图2-1 电涡流传感器作用原理及等效电路为了简化问题，我们把金属导体理解为一个短路线圈，图2-1（b ）所示为电涡流传感器与被测体的等效电路。

其中1R 、1L 为空心线圈的电阻和电感;2R 、2L 为短路线圈的电阻和电感;而M 则为两线圈的互感。

根据等效电路可写出两个电压平衡方程式： E MI j I L j I R =-+21111ωω022221=++-I L j I R MI j ωω （2-1）将该方程联立求解可得：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+++=22222221222222211)()(L L R ML j R L R M R EI ωωωωωω （2-2） 22222121222212L R I MR j I L M L j R MI j I ωωωωω++=+= （2-3） 由（2-2）式可得空心线圈的总阻抗为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+++==22222221222222211)()(L L R M L j L R M R R I E Z ωωωωωω （2-4） 根据（2-4）式可进一步求出空心线圈的等效电阻eq R 、等效电感eq L 和等效品质因数eq Q ，即：22222221)(R L R M R R eq ωω++= （2-5）22222221)(L L R M L L eq ωω++= （2-6） 222222122222221)()(L R M R L L R M L Q eq ωωωωω++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-= （2-7） 由此可见，当线圈接近导体时，电器参数Z 、eq R 、eq L 、eq Q 等均为互感M 的函数,即为涡流线圈与金属导体间距离X 的函数。

电涡流传感器工作电路
电涡流传感器的实际接线如下图所示：
图1 电涡流传感器实际接线图
其中，前置器的四芯航空接头的四条信号线分别为+15V 输入、-15V 输入、地线和电涡流传感器信号输出线。

在接线时需要注意：红色信号线为+15V 输入、黄色信号线为-15V
输入、蓝色信号线为地线。

前置器的输出信号和接地信号一起接入采集卡进行数据采集。

一般情况下采用单端地参考输入方式进行信号采集。

单端地参考输入方式的原理图如下图所示：
图2 单端地参考输入方式
前置器的输出信号接NI 卡模拟信号输入端，接地信号接NI 卡的模拟地输入端，即可实现采集。

目前的实验都是基于这一种采集方式完成。

同时，还可以选用差分输入方式对模拟输入信号进行采集。

差分输入方式的原理图如下图所示：
图3 差分输入方式
在这种模式下，前置器的输出信号接NI 卡的一个模拟信号输入端，接地信号接另一个配对的模拟信号输入端，这两路信号分别通过一个电阻与NI 卡的模拟地输入端相接，即可实现采集。

考虑到尽量简化DSP 实验板的接线，拟采用单端地参考输入方式完成模拟信号的采集。