1、第3章 變磁阻式傳感器,第3章 變磁阻式傳感器,電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測量，適用范圍廣，它一問世就受到各國的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無損探傷領(lǐng)域。,第五節(jié) 電渦流式傳感器,第3章 變磁阻式傳感器,一.工作原理,圖3.25電渦流式傳感器的基本原理,第3章 變磁阻式傳感器,如圖3.25所示，有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場H1。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場H2，H2與H

2、1方向相反，力圖削弱原磁場H1,從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測量該參數(shù)的傳感器。,第3章 變磁阻式傳感器,圖3.26等效電路,為分析方便，我們將被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)中的電流。這樣，線圈與被測導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，如圖3.26所示。設(shè)線圈的電阻為R1，電感為L1，阻抗為Z1=R1+jL1；短路環(huán)的電阻為R2，電感為L2；線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為M。,第3章 變磁阻式傳感器,M隨它們之間的距離x減

3、小而增大。加在線圈兩端的激勵(lì)電壓為。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組,解之得,第3章 變磁阻式傳感器,由此可求得線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗為,(3-39),線圈的等效電感為,(3-40),第3章 變磁阻式傳感器,由式(3-39)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)Q下降。阻抗由Z1變?yōu)閆，常稱其變化部分為“反射阻抗”。由式(3-39)可得,(3-41),式中 無渦流影響時(shí)線圈的Q值； 短路環(huán)的阻抗。,第3章 變磁阻式傳感器,Q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性和距離x直接有關(guān)。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，影響Q值的還有磁滯損耗

4、與磁性材料對等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構(gòu)成磁路的等效磁導(dǎo)率e的變化將影響L。當(dāng)距離x減小時(shí)，由于e增大而使式(3-40)中之L1變大。,第3章 變磁阻式傳感器,由式(3-39)(3-41)可知，線圈-金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離x的非線性函數(shù)，因此當(dāng)構(gòu)成電渦流式位移傳感器時(shí)，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非線性函數(shù)。但在一定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來表示，于是在該范圍內(nèi)通過測量Z、L或Q的變化就可以線性地獲得位移的變化。,第3章 變磁阻式傳感器,二.測量電路 根據(jù)電渦流式傳感器的工作原

5、理，其測量電路有三種：諧振電路、電橋電路與Q值測試電路。這里主要介紹諧振電路。目前電渦流式傳感器所用的諧振電路有三種類型：定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。 1.定頻調(diào)幅電路 圖3.27為這種電路的原理框圖。,第3章 變磁阻式傳感器,圖中L為傳感器線圈電感，與電容C組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵(lì)信號。在無被測導(dǎo)體時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時(shí)回路阻抗最大，回路壓降最大(圖3.28中之U0)。,圖3.27定頻調(diào)幅電路框圖,第3章 變磁阻式傳感器,當(dāng)傳感器接近被測導(dǎo)體時(shí)，損耗功率增大，回路失諧，輸出電壓相應(yīng)變小。這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙(位移)

6、成近似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率f0始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。,圖3.28定頻調(diào)幅諧振曲線,第3章 變磁阻式傳感器,LC回路諧振頻率的偏移如圖3.28所示。當(dāng)被測導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，由于L增大而使諧振頻率下降(向左偏移)。當(dāng)被測導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)則反之(向右偏移)。這種電路采用石英晶體振蕩器，旨在獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵(lì)信號，以保證穩(wěn)定的輸出。因?yàn)檎袷庮l率若變化1%，一般將引起輸出電壓10%的漂移。 圖3.27中R為耦合電阻，用來減小傳感器對振蕩器的影響，并作為恒流源的內(nèi)阻。R的大小直接影響靈敏度：R大靈敏度低，R小則靈敏度高；但R過小時(shí)，由于對振蕩器起旁路作用，也會使靈敏度降低。,第3章

7、 變磁阻式傳感器,諧振回路的輸出電壓為高頻載波信號，信號較小，因此設(shè)有高頻放大、檢波和濾波等環(huán)節(jié)，使輸出信號便于傳輸與測量。圖中源極輸出器是為減小振蕩器的負(fù)載而加。 2.變頻調(diào)幅電路 定頻調(diào)幅電路雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，并獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。因此，人們又研究了一種變頻調(diào)幅電路，這種電路的基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點(diǎn)式振蕩回路。當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電壓的幅度和頻率都發(fā)生變化，利用振蕩幅度的變化來檢測線圈與導(dǎo)體間的位移變化，而對頻率變化不予理會。,第3章 變磁阻式傳感器,變頻調(diào)幅電路的諧振曲線如圖3.29所示。,圖3.29

8、變頻調(diào)幅諧振曲線,第3章 變磁阻式傳感器,無被測導(dǎo)體時(shí)，振蕩回路的Q值最高，振蕩電壓幅值最大，振蕩頻率為f0。當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近線圈時(shí)，渦流效應(yīng)使回路Q值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅度降低，振蕩頻率也發(fā)生變化。當(dāng)被測導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，由于磁效應(yīng)的作用，諧振頻率降低，曲線左移；被測導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)，諧振頻率升高，曲線右移。所不同的是，振蕩器輸出電壓不是各諧振曲線與f0的交點(diǎn)，而是各諧振曲線峰點(diǎn)的連線。,第3章 變磁阻式傳感器,這種電路除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)控等場合常采用它。必須指出，該電路用于被測導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，雖由于磁效應(yīng)的作用使靈敏度有所下降，但磁效

9、應(yīng)時(shí)對渦流效應(yīng)的作用相當(dāng)于在振蕩器中加入負(fù)反饋，因而能獲得很寬的線性范圍。所以如果配用渦流板進(jìn)行測量，應(yīng)選用軟磁材料。,第3章 變磁阻式傳感器,3.調(diào)頻電路 調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點(diǎn)式振蕩回路，所不同的是，以振蕩頻率的變化作為輸出信號。如欲以電壓作為輸出信號，則應(yīng)后接鑒頻器。 這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮沫h(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三方面考慮。 提高諧振回路元件本身的穩(wěn)定性也是提高頻率穩(wěn)定度的一個(gè)措施。為此，傳感器線圈L可采用熱繞工藝?yán)@制在低膨脹系數(shù)材料的骨架上，并配以高穩(wěn)定的云母電容或具有適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容(進(jìn)行溫度補(bǔ)償)作為諧振電

10、容C。此外，提高傳感器探頭的靈敏度也能提高儀器的相對穩(wěn)定性。,第3章 變磁阻式傳感器,三.電渦流式傳感器的應(yīng)用 1.測位移 電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。目前電渦流位移傳感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可轉(zhuǎn)換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器測量，如機(jī)器轉(zhuǎn)軸的軸向竄動(dòng)、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。,第3章 變磁阻式傳感器,圖3.30液位監(jiān)控系統(tǒng),圖3.30為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng)。如圖所示，通過浮子3與杠桿帶動(dòng)渦流板1上下位移，由電渦流式傳感器2發(fā)出信號控制電動(dòng)

11、泵的開啟而使液位保持一定。,第3章 變磁阻式傳感器,2.測厚度,圖3.31測金屬板厚度示意圖,第3章 變磁阻式傳感器,除前已介紹的低頻透射式電渦流傳感器外，高頻反射式電渦流傳感器也可用于厚度測量。后者測板厚時(shí)，金屬板材厚度的變化相當(dāng)于線圈與金屬表面間距離的改變，根據(jù)輸出電壓的變化即可知線圈與金屬表面間距離的變化，即板厚的變化。圖3.31所示為此應(yīng)用一例。為克服金屬板移動(dòng)過程中上下波動(dòng)及帶材不夠平整的影響，常在板材上下兩側(cè)對稱放置兩個(gè)特性相同的傳感器L1與L2。,第3章 變磁阻式傳感器,由圖可知，板厚dD（x+x2）。工作時(shí)，兩個(gè)傳感器分別測得x和x2。板厚不變時(shí)，(x+x2)為常值；板厚改變時(shí)

12、，代表板厚偏差的(x+x2)所反映的輸出電壓發(fā)生變化。測量不同厚度的板材時(shí)，可通過調(diào)節(jié)距離D來改變板厚設(shè)定值，并使偏差指示為零。這時(shí)，被測板厚即板厚設(shè)定值與偏差指示值的代數(shù)和。 除上述非接觸式測板厚外，利用電渦流式傳感器還可制成金屬鍍層厚度測量儀、接觸式金屬或非金屬板厚測量儀。,第3章 變磁阻式傳感器,除此以外： (1)利用多個(gè)傳感器沿轉(zhuǎn)軸軸向排布，可測得各測點(diǎn)轉(zhuǎn)軸的瞬時(shí)振幅值，從而作出轉(zhuǎn)軸振型圖； (2)利用兩個(gè)傳感器沿轉(zhuǎn)軸徑向垂直安裝，可測得轉(zhuǎn)軸軸心軌跡； (3)在被測金屬旋轉(zhuǎn)體上開槽或作成齒輪狀，利用電渦流傳感器可測出該旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率或轉(zhuǎn)速 (4)電渦流傳感器還可用作接近開關(guān)，金屬零件

13、計(jì)數(shù)，尺寸或表面粗糙度檢測，等等。,第3章 變磁阻式傳感器,電渦流傳感器測位移，由于測量范圍寬、反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，常用于在線檢測。,圖3.32 測溫用渦流式傳感器,1-補(bǔ)償線圈；2-管架；3-測量線圈；4-隔熱襯墊；5-溫度敏感元件,第3章 變磁阻式傳感器,3.測溫度 在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為 (3-42) 式中 1、0分別為溫度t1與t0時(shí)的電阻率； a在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù) 若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測導(dǎo)體電阻率而變，就可測得溫度的變化。上述原理可用來測量液體、氣體介質(zhì)溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫到常溫的測量。,第3章 變磁阻式傳感器,圖3.32為一種測量液體或氣體介質(zhì)溫度的電渦流式傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是： (1)不受金屬表面涂料、油、水等介質(zhì)的影響； (2)可實(shí)現(xiàn)非接觸測量； (3)反應(yīng)快。 目前已制成熱慣性時(shí)間常數(shù)僅1ms的電渦流溫度計(jì)。 除上述應(yīng)用外，電渦流式