涡流式传感器ppt

涡流传感器原理
涡流传感器是一种测量物体运动或位置变化的传感器。其原理
基于法拉第电磁感应定律和涡流的特性。

涡流传感器由一个线圈和一个金属振子组成。当有导体（例如
金属物体）靠近传感器时，传感器中的线圈会产生交变磁场。
这个交变磁场会在金属物体中引起涡流的产生。涡流产生的电
流会在金属物体上产生一个反向磁场，与传感器中的磁场相互
作用。

传感器中的线圈会感知到这个交互作用并产生电压信号。根据
涡流的大小和金属物体与传感器的距离，传感器可以测量到金
属物体的位置和运动状态。

涡流传感器的原理是基于涡流的阻尼效应。当金属物体靠近传
感器时，涡流的产生会引起金属物体的阻尼。通过测量阻尼的
大小，传感器可以确定金属物体的位置和运动状态。

涡流传感器具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点。它
在工业生产、汽车制造、机械设备等领域广泛应用。涡流传感
器可用于测量金属物体的位移、速度和加速度等参数，可以提
供精确的测量结果。

检测线圈的分类
穿过式线圈 检测管材、棒材和线材，用于在线检测
探头式线圈 放在板材、钢锭、棒、管、坯等表面上用，尤其适用于局部检
测，通常线圈中装入磁芯，用来提高检测灵敏度，用于在役检测 内插式线图
管内壁、钻孔。用于材质和加工工艺检查
第3节 涡流检测的基本原理
4. 设备器材
一般的涡流检测仪主要由振荡器、探头、信号输出电 路、放大器、信号处理器、显示器、电源等部分组成
第3节 涡流检测的基本原理
5. 检测技术
缺陷检测即通常所说的涡流探伤。主要影响因素包括工作 频率、电导率、磁导率、边缘效应、提离效应等。
➢ 工作频率是由被检测对象的厚度、所期望的透入深度、要 求达到的灵敏度或分辨率以及其他检测目的所决定的。检 测频率的选择往往是上述因素的一种折衷。在满足检测深 度要求的前提下，检测频率应选的尽可能高，以得到较高 的检测灵敏度。
5. 检测技术
➢ 边缘效应：当检测线圈扫查至接近零件边缘或其上面的孔 洞、台阶时，涡流的流动路径就会发生畸变。这种由于被 检测部位形状突变引起涡流相应变化的现象称为边缘效应。 边缘效应作用范围的大小与被检测材料的导电性、磁导性、
检测线圈的尺寸、结构有关。
5. 检测技术
➢ 提离效应：针对放置式线圈而言，是指随着检测线圈离开 被检测对象表面距离的变化而感应到涡流反作用发生改变 的现象，对于外通式和内穿式线圈而言，表现为棒材外径 和管材内径或外径相对于检测线圈直径的变化而产生的涡 流响应变化的现象。
4. 设备器材
检测仪器的基本组成和原理： 激励单元的信号发生器产生交变电流供给检测线 圈，放大单元将检测线圈拾取的电压信号放大并 传送给处理单元，处理单元抑制或消除干扰信号， 提取有用信号，最终显示单元给出检测结果。

作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。
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激励装置
被测 对象
传 感 器
信号 调理
信号 处理
显示 纪录
观察者
反馈、控制
简单测试系统(红外体温)
复杂测试系统(振动测量)
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3. 传感器的构成
（1）组成：振动膜片、刚 性极板、电源和负载电阻
（2）原理 ： 振膜—一次敏感元件 电容器—敏感元件
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（3）分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。 通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。 数字测试系统－－输出显示系统的最后一位 模拟测试系统－－输出指示标尺最小分度值的一半
（4）回程误差：同一输入量的两条定度曲线之差的最大值 hi max 与标称的输出范围A之比。
即 回程误差 ＝hi max 100% A
A()
1
0
()
1 2
0
1t0
2t0
－t0
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A()
1
0
()
0
4
例2:已知系统的输入 x(t)co 1 ts co 2ts，判断是否失真。
例3:已知系统的输入 x(t)cos0t ，判断是否失真。
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电阻式传感器
一、变阻式传感器 1.结构：
R l
A
R kl x
S
dR dx
3.类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器
最新课件
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三、应变片的应用 1.直接测定结构的应变或应力。 2.作为传感器的测量参数。
四、转换电路
应变 R 电压或电流的变化

第四章
电涡流传感器
本章学习电涡流传感器的
原理及应用，并涉及接近开关
的原理、结构、特性参数及应
用。
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第一节
电涡流传感器工作原理
当电涡流线 圈与金属板的距 离x 减小时，电 涡流线圈的等效 电感L 减小，等 效电阻R 增大。 感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流 线圈的电流 i1 增 大。 2
电涡流效应演示
2018/10/11
电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
干净、 高效的 电磁炉
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集肤效应
图4-1是电涡流传感器工作原理示意图。当高频 （100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠 近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。 如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就 产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分 布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应 （也称趋肤效应）。
如果控制上式中的 i1、 f 、 、 、 r不变，电 涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？ 属于接触式测量还是非接触式测量？
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等效阻抗与非电量的测量
检测深度的控制：由于存在集肤效应，电 涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f， 可控制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。
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位移传感器的分类
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偏心和振动检测
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通过测量间隙来测量径向跳动
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测量弯曲、波动、变形

涡流式传感器的工作原理主要基于电磁感应现象。在传感器内部，存在一个交变磁场。当被测金属导体在磁场中作切割磁感线运动时，根据法拉第电磁感应定律，导体内部会产生感应电势。这个感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体，这个感应电势被进一步处理，转换成与流量成正比的电信号输出，从而实现对流体流量的精确测量。涡流式传感器具有测量准确度高、稳定性好、响应速度快等优点，因此在工业自动化控制系统中得到广泛应用。

涡流式传感器工作原理
涡流式传感器是一种常用于测量金属导体上存在的缺陷或者测量金属导体的物理参数的传感器。

它基于涡流的原理工作，涡流即在金属导体中产生的一种环流电流。

涡流式传感器的工作原理可以简述为：当金属导体靠近传感器时，传感器内的电感圈会产生一个变化的磁场。

这个磁场进一步生成一个在金属导体上旋转的涡流电流。

由于涡流在金属内部流动，会引起金属的能量损耗。

涡流式传感器利用涡流的能量损耗的特性来测量金属导体的缺陷或者物理参数。

当金属导体上存在缺陷或者物理参数发生变化时，涡流的能量损耗也会发生变化。

传感器通过测量涡流的能量损耗来判断金属导体上的缺陷或者物理参数的情况。

具体来说，涡流式传感器的工作原理包括以下几个步骤：
1. 传感器内的电感圈产生一个变化的磁场。

2. 这个磁场会引起金属导体上旋转的涡流电流。

3. 涡流在金属内部流动，会引起金属的能量损耗。

4. 传感器测量涡流的能量损耗，并转化为相应的电信号。

5. 电信号经过放大和处理后，可以得到金属导体上的缺陷或者物理参数的信息。

总结起来，涡流式传感器利用磁场和涡流的相互作用来测量金属导体的缺陷或者物理参数。

通过测量涡流的能量损耗，传感器可以得到相应的电信号，从而实现对金属导体的检测和测量。

24
旋转体转动时，传感器将周期性地改变输出信号，此电压经放大、 整形，可由频率计测出频率值。
这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在 旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min。
N
f n
60
f——频率值(Hz)； n——旋转体的槽(齿)数； N——被测轴的转速(r／min)。
h 5030
r f
( cm )
式中, ρ——导体电阻率(Ω·cm)； r——导体相对磁导率； ƒ ——交变磁场频率(Hz)。 可见，h与激励电流频率有关，故电涡流传感器按激 励频率高低，可分为高频反射式和低频透射式两大类。
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1. 高频反射式电涡流传感器
1. 线圈 2. 框架 3．框架衬套 4． 支架 5．电缆 6．插头
Leq
Req
由以上两式可知： 1、由于电涡流影响，线圈复阻抗的实部（等效阻抗）增大， 虚部（等效电感）减小，故线圈等效品质因数Q下降。 2、电涡流传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数。通 常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，故电涡流传感器 属于电感式（互感式）传感器。
10
3. 测量电路
由式上式解得等效阻抗Z 的表达式为 h
& & & & R1 I1 j L1 I1 j MI 2 U1 ra & R I j L I 0 & & j MI1 2 2 2 2
U1
I 1
Ⅰ
I 2
L1 L2
Ⅱ
R2
传感器线圈
电涡流短路环
2 2 2 2 & U1 M M Z R1 2 R2 j L1 2 L2 2 2 2 2 & R2 L2 R2 L2 I1

掌握接线方法。
第一节 电涡流传感器工作原理
一、电涡流效应及肌肤效应
1、电涡流效应： 由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属
导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力 线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流， 这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。 根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。
变压器和交流电动机的铁心是用硅钢片叠压 而成，目的是减小涡流，避免发热
一、位移测量
1、测量过程：
电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等 非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下 使用。
2、探伤仪外形 滚子涡流探伤机
滚子涡流探伤机是由计算机控 制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专 用设备，可探出深 30μm的表面微 小裂纹。
台式探伤仪
手持式裂纹测量仪进行油管探伤 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹
花瓣阻抗图
从该图中判断裂纹的长短、深浅、走向。黑色为反视报 警区，当8字花瓣图形超出报警区时视为超标，产生报警信号。
安检门演示
当有金属物体穿 越安检门时报警
六、电涡流表面探伤
1、测量过程：
检查金属表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷 等。在探伤中，传感器应与被测导体保持距离不变。由于缺陷 将引起导体电导率、磁导率的变化，使电涡流变小，从而引起 输出电压的变化。
在频谱仪，接收线圈同名端相连的差动电路可将环境温度 变化、表面硬度、机械传动不均匀、抖动的信号相互抵消。当 裂纹进入左右接收线圈时，因相位上有先后差别，信号无法抵 消，产生输出电压。

位移传感器的分类
1、位移计的几种实例
（a）测量轴的 （b）测量磨床换向阀、先 （c）测量金属试 轴向振动 件的热膨胀系数 导阀的轴位移
位移测量包含偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变 形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等，来自 不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。
2、位移测量仪外形
并联谐振回路的谐振频率
1 f 2 LC0
4-3
设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容
C0=200pF，求振荡器的频率f 。
鉴频器特性
使用鉴频器可以将f 转换为电压Uo
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
鉴频器在调频式电路中的应用
设电路参数如上页， 计算电涡流线圈未接近 金属时的鉴频器输出电 压Uo；若电涡流线圈靠 近金属后，电涡流探头 的输出频率f 上升为 500kHz，f 为多少？输 出电压Uo又为多少？
磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深
度就越浅，集肤效应越严重。
三、等效阻抗分析
电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电 导率、磁导率及线圈的几何参数、激励电流的频率 及线圈到被测金属导体的距离等参数有关。 电涡流线圈等效阻抗Z的函数表达式为：
Z=R+jωL=f（i1、f、、、r、x）
电涡流传感器可用来测 量各种形状金属导体试件的 位移量。如汽轮机主轴的轴 向位移。测量位移范围可从 0—1mm到0—30mm。
数显位移测量仪及探头
4-20mA电涡流位移传感器外形
齐平式电涡流位移传感器外形
齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。
V系列电涡流位移传感器外形
齐平式
V系列电涡流位移传感器性能一览表
电涡流的应用

（1）调幅法。 调幅法电路原理如图3.21所示。
图中L为传感器线圈电感；C为
谐振电容；石英振荡器产生稳 压稳频的高频激励电压。由图
可知，LC回路的输出电压为
（2）调频法
调频法工作原理参见自感式 传感器转换电路的调频电路部 分。下面介绍一种具体调频电 路，如图3.22所示，传感器线 圈接在LC振荡器中作为电感使 用。
传感检测技术基础
电涡流式传感器
1.1 工作原理
电涡流式传感器其结构很简单，是 由有骨架或无骨架的空心线圈构成。图 3.17为电涡流式传感器的原理图，该图 由传感器线圈和被测导体组成线圈-导体
系统。
传感器线圈受电涡流效应时等效阻抗Z
的函数关系式为
Z=F (ρ，μ，r，f，x)
图3.17
电涡流传感器原理图
（3-j35）MI1 R2 I 2 j L2 I 2 0
由（式3-（36）3-35）和式（3-36）解得线圈等效阻抗Z的表达式为
Z
U1 I1
R1
2M 2 R22 (L2 )2
R2
j[L1
2M 2 R22 (L2 )2
L2 ] Req
jLeq
1.3 转换电路
由电涡流式传感器的工作原理可知，被测量变化可以转换
1.2简化模型及等效电路 3 为了分析方便，将
电涡流式传感器模型简
化为如图3.18所示。 模型中h由以下公 ras
式求得：
12
ra ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱi
h ( )1 2
0 r f
x
(μrρ)
h
图 3.18 电涡流式传感器简化模型
根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：
R1I1 j L1I1 j MI 2 U1

涡流式传感器工作原理
涡流式传感器是一种基于涡流效应工作原理的传感器。

它利用涡流效应来测量和检测物体的某些物理量，如流速、液体浓度、轴向位移等。

涡流效应是指当导体与交流电源接触时，由于交流电产生的磁场变化，导致导体中涡流的形成。

当涡流通过磁场时，会与磁场产生相互作用，从而产生电动势。

涡流式传感器利用这一原理，通过将导体置于感应磁场中，当被测量物体发生变化时，涡流的强度和分布就会发生相应的变化。

然后，通过测量涡流引起的感应电磁场的变化，就可以得到被测量物体的相关信息。

具体来说，涡流式传感器的工作原理如下：
1. 传感器中的感应线圈通电，产生感应磁场。

2. 当被测量物体接近传感器时，感应磁场会被物体引入，并在物体表面形成涡流。

3. 涡流的强度和分布受到物体性质和运动状态的影响，因此可以通过测量涡流的相应参数来获取被测量物体的相关信息。

4. 传感器通过检测涡流引起的感应电磁场的变化来对被测量物体进行测量和检测。

5. 传感器输出被测量物体的相关信息，如流速、液体浓度等。

总的来说，涡流式传感器利用涡流效应来检测物体的变化，并通过测量涡流的相应参数来获取被测量物体的相关信息。

这种
传感器具有高精度、快速响应和抗干扰能力强等优点，在液体流量、液位、位移等领域有广泛的应用。

电涡流式传感器电涡流传感器是一种能将机械位移，振幅和转速等参量转换成电信号输出的非电量电测装置。

它由探头，变换器，连接电缆及被测导体组成，是实现非接触测量的理想工具。

其最大特点就是结构简单，可以实现非接触测量，具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽、体积小等特点，因此在工业测量领域得到了越来越广泛的应用。

一、基本工作原理当金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流就像水中的漩涡那样，在导体内部形成闭合回路，我们通常称之为电涡流，称这种现象为涡流效应。

电涡流传感器就是在涡流效应的基础上建立起来的。

电涡流传感器的基本原理如图1所示。

一个通有交变电流1I 的传感线圈，由于电流的周期性变化，在线圈周围就产生了一个交变磁场1H 。

如被测导体置于该磁场范围之内，被测导体便产生涡流2I ，电涡流也将产生一个新的磁场2H ，2H 和1H 方向相反，由于磁场2H 的反作用使通电线圈的等效阻抗发生变化。

当金属导体靠近线圈时，金属导体产生涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t 、线圈与金属导体间的距离s 以及线圈激励电流的大小和角频率ω等参数有关。

如固定其中某些参数，就能按涡流的大小测量出另外一些参数。

为了简化问题，我们把金属导体理解为一个短路线圈，并用2R 表示这个短路线图2 等效电路U图1 电涡流式传感器基本原理示意图1—传感线圈；2—金属导体 2圈的电阻；用2L 表示它的电感；用M 表示它与空心线圈之间的互感；再假设电涡流空心线圈的电阻与电感分别为1R 和1L ，就可画出如图2所示的等效电路。

经推导电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗为L j R L L R M L j L R M R R I U Z ωωωωωωω+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++==22222222122222222111 式中R —电涡流线圈工作时的等效电阻； L —电涡流线圈工作时的等效电感。

由上式可知，等效电阻、等效电感都是此系统互感系数平方的函数。

or
= 7.87 mV/um
组成元件不匹配的影响
24 22 20
SHORT
18
OUTPUT (-Vdc) (
16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40
CORRECT
LONG
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140
PROBE GAP (mils)
输入电压的影响
径向运 动
轴向运动
涡 流 探 头 用 为 Keyphasor®
NOTCH
涡流传感器系统的 性能校验
校验图
24 22 20 18 OUTPUT (- Vdc) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 PROBE GAP (mils)
复习问题
-26.0 Vdc -17.5 Vdc 前 置 器 的 供 电 电 压 是 在 _________, 和 _________ 之 间. RF 围 绕 探 头 形 成 一 个 ____ 区. 它 从 探 头 表 面 扩 展 的 线 性 范 围 可 以 到 80 mils _______. 当 一 个 导 电 材 料 靠 近 探 头 时， 在 导 电 材 料 表 面 生 成 什 么 形 式 的 电 流 eddy current ? _____________. material 一 个 涡 流 传 感 器 必 须 要 适 合 于 ________ 它 所 面 对 的 靶 面. negative 前 置 器 的 DC 输 出 将 变 得 更 小 的 _________ 当 被 测 靶 面 接 近 探 头 时. 10KHz 0Hz(dc) 一 个 涡 流 传 感 器 系 统 的 响 应 频 率 是 从 ________ 到 _______ 并 且 它 的 输 ac dc 出 可 包 含 一 个 ____ 和 ____ 成 分.

目前这种传感器已广泛用来测量位移振动厚度转速温度硬度等参数以及用于无损探伤电涡流式传感器的组成框图速度硬度探伤等应力浓度流量位移振动厚度非电量传感器线圈测量电路确定关系阻抗电感品质因数涡流
6.3电涡流式传感器
电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。由于结 构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影 响，并能进行非接触测量，适用范围广。目前，这种传 感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、 硬度等参数，以及用于无损探伤领域。 电涡流式传感器的组成框图
2M 2 L L1 L2 2 R2 (L2 ) 2 L Q R
等效电感为： 等效Q值为：
电涡流式传感器
由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减 小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗变为Z，常称其 变化部分为“反射阻抗”。
式中 Q0 L1 / R1 ——无涡流影响时线圈的Q值； 2 Z 2 R2 2 L2 ——短路环的阻抗。 2 Q值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和 距离直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还有 磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线 圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率的变化将影响L。

Z1 L1 // C1, Z 2 L2 // C2
电涡流式传感器
2.谐振式测量电路 谐振电路是将传感线圈的电感L与固定电容 C组成一个并联 谐振电路。
谐振电路有二种类型：调幅式与调频式。 输出电压的频率f始终恒定， 称为定频调幅式。 由振荡器产生的频率为f的电压加到 L、C回路和串联电阻R的电路两端， 当被测体靠近并联谐振电路时，电 涡流的能量损失发生变化，从而使 L、C回路的等效阻抗发生变化，因此引起输出电压 变化。