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1、电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 涡流效应：涡流效应：根据电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁根据电磁感应定律，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，导体内将产生呈漩涡场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为状流动的感应电流，称之为电涡流或涡流电涡流或涡流。电涡流的产生必。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这种现象称为
2、这种现象称为涡流效应涡流效应。涡流的大小涡流的大小与金属体的电阻率与金属体的电阻率、磁导率、磁导率、金属板的厚度、金属板的厚度d d、线圈与金属导体的距离线圈与金属导体的距离x x、线圈的励磁电流频率、线圈的励磁电流频率f f等参数有关。等参数有关。3.3.1 3.3.1 涡流效应涡流效应 电涡流式传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为线圈电涡流式传感器就是利用涡流效应，将非电量转换为线圈阻抗变化来进行测量的。阻抗变化来进行测量的。贯穿深度：贯穿深度：3.3.2 3.3.2 高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器1.1.工作原理工作原理：根据电磁感应定律：根据电磁感应定律,当传感器线圈通
3、以交变电流当传感器线圈通以交变电流 时时,线圈周围必然产生交变磁场线圈周围必然产生交变磁场 ,使置于此磁场中的金属导体中使置于此磁场中的金属导体中产生感应电涡流产生感应电涡流 ,又产生新又产生新的交变磁场的交变磁场 。根据愣次定律，根据愣次定律，将反抗原磁场将反抗原磁场 的变化，导致的变化，导致传感器线圈的等效阻传感器线圈的等效阻抗（或等效抗（或等效电感）发生变化电感）发生变化。被测导体被测导体传感器线圈传感器线圈 工作过程工作过程：被测导体变化：被测导体变化 电涡流变化电涡流变化 感应磁场变化感应磁场变化 线圈等效阻抗变化线圈等效阻抗变化 2.2.等效电路：等效电路：解此方程组可得电涡流传感
4、器的等效阻抗为解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为电涡流传感器的等效阻抗可表示为电涡流传感器的等效阻抗可表示为 等效电阻等效电阻 等效电感等效电感 根据等效电路，可列出电路方程组为根据等效电路，可列出电路方程组为由此可见，被测量变化可以转换成传感器线圈的等效由此可见，被测量变化可以转换成传感器线圈的等效阻抗阻抗Z Z、等效电感、等效电感L L的变化。通过转换电路可把这些参的变化。通过转换电路可把这些参数转换为电压或电流输出。数转换为电压或电流输出。传感器的结构示意图1线圈；2框架；3框架衬套；4支架；5电缆；6插头3.3.结构：结构：3.3.3 3.3.3 低频透射式电涡流传感器低频透射式电
5、涡流传感器工作原理：工作原理：透射式涡流传感器由发射线圈透射式涡流传感器由发射线圈L1 ，接受线圈，接受线圈L2 ，和位于两线圈，和位于两线圈中间的被测金属板组成。中间的被测金属板组成。若两个线圈之间不存在金属若两个线圈之间不存在金属板，当在板，当在L L1 1 两端加交流激两端加交流激励电压励电压 时，时，L L2 2两端将产两端将产生感应电动势生感应电动势 。若在两个线圈之间放置一块金属板时，金属板中产生涡流，若在两个线圈之间放置一块金属板时，金属板中产生涡流，涡流损耗了部分磁场能量，使到达涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁场变弱，从而使感应的磁场变弱，从而使感应电动势电动势 下降。被
6、测金属板的厚度越大，涡流损耗也越大，感下降。被测金属板的厚度越大，涡流损耗也越大，感应电动势应电动势 就越小。感应电动势的大小间接反映了被测金属板就越小。感应电动势的大小间接反映了被测金属板的厚度。的厚度。式中式中 d金属板的厚度；金属板的厚度；h涡流贯穿深度涡流贯穿深度 k比例常数比例常数3.3.4 3.3.4 测量电路测量电路 根据电涡流测量的基本原理，传感器线圈与被测金属导根据电涡流测量的基本原理，传感器线圈与被测金属导体间距离的变化可以转化为传感器线圈的等效阻抗体间距离的变化可以转化为传感器线圈的等效阻抗Z Z或等效或等效电感电感L L的变化。测量电路的任务是把这些参数的变化转换为的变
7、化。测量电路的任务是把这些参数的变化转换为电压或频率的变化，常采用下列电路：电压或频率的变化，常采用下列电路：l电桥电路电桥电路l谐振电路谐振电路 调幅调幅 调频调频 1.1.电桥电路电桥电路 电桥将传感器线圈的阻抗变化转换成电压幅值的变化电桥将传感器线圈的阻抗变化转换成电压幅值的变化主要用于差动式电涡流传感器主要用于差动式电涡流传感器2.2.谐振电路谐振电路 这种电路是把传感器线圈与电容并联组成这种电路是把传感器线圈与电容并联组成LCLC并联谐振回路。并联谐振回路。谐振频率谐振频率:当传感器接近被测金属导体时，线圈等效电感当传感器接近被测金属导体时，线圈等效电感L发生变化，回发生变化，回路阻
8、抗路阻抗Z0和谐振频率和谐振频率f将随着将随着L的变化而变化，因此可以通过测的变化而变化，因此可以通过测量阻抗量阻抗Z0和频率和频率f来测量电感的变化，相应的就是来测量电感的变化，相应的就是调幅法调幅法和和调调频法。频法。回路阻抗：回路阻抗：1 1）调幅法调幅法调幅法测量电路调幅法测量电路当传感器接近被测金属导体时，线圈电感当传感器接近被测金属导体时，线圈电感L发生变化，谐振回路发生变化，谐振回路的等效阻抗的等效阻抗Z将随着将随着L的变化而变化，相应的输出电压也变化。的变化而变化，相应的输出电压也变化。2)调频法调频法 传感器线圈作为组成传感器线圈作为组成LCLC振荡器的电感元件，当传感振荡器
9、的电感元件，当传感器的等效电感器的等效电感L L发生变化时，发生变化时，引起振荡器的振荡频率变化，引起振荡器的振荡频率变化，该频率可直接由数字频率计该频率可直接由数字频率计测得，或通过频率测得，或通过频率/电压转换电压转换后用数字电压表测量出对应后用数字电压表测量出对应的电压。的电压。调频电路原理图调频电路原理图 电涡流式传感器由于具有测量范围大，灵敏度高，电涡流式传感器由于具有测量范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，可以实现结构简单，抗干扰能力强，可以实现非接触式非接触式测量等测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用来
10、测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹和金属件探伤等。系数、轴心轨迹和金属件探伤等。3.3.5 3.3.5 电涡流式传感器应用举例电涡流式传感器应用举例 1.1.位移测量位移测量3.3.厚度测量厚度测量4.4.转速测量转速测量 5.5.涡流探伤涡流探伤 电涡流式传感器可以对被测对象进行非破坏性的探电涡流式传感器可以对被测对象进行非破坏性的探伤，在检查时，使传感器与被测体的距离不变，如有裂纹伤，在检查时，使传感器与被测体的距离不变，如有裂纹出现时，导体电阻率、磁导率发生变化，从而引起传感器出现时，导体电阻率、磁导率发生变化，从而引起传感器的
11、等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤的目的。的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤的目的。6.计数计数 探雷探雷 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会使接收线圈中的感应电压变化，报警器生电涡流，会使接收线圈中的感应电压变化，报警器就会报警。就会报警。安检安检小测试小测试一、填空题：一、填空题：1.1.通常传感器有通常传感器有_元件和元件和_元件组成。元件组成。2.2.电容式传感器可分为电容式传感器可分为_、_和和_三种基本类型。三种基本类型
12、。3.3.电感式传感器可分为电感式传感器可分为_、_和和_三种基本类型。三种基本类型。4.4.电容式传感器是将被测非电量转换成电容式传感器是将被测非电量转换成_变化的装置。变化的装置。5.5.按照电涡流在导体内的贯穿深度，电涡流传感器分为按照电涡流在导体内的贯穿深度，电涡流传感器分为_和和_。6.6.电涡流传感器最大特点是电涡流传感器最大特点是_。7.7.电阻式传感器是将被测的非电量转换成敏感元件的电阻式传感器是将被测的非电量转换成敏感元件的_变化，变化，进而转换为相应的电信号输出。进而转换为相应的电信号输出。8.8.灵敏度的定义是灵敏度的定义是_。9.9.应变片温度误差产生的原因应变片温度误
13、差产生的原因_和和_10.10.半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变 化的现象称为化的现象称为_。二、简答题二、简答题1.高频反射式电涡流传感器的基本原理是什么？高频反射式电涡流传感器的基本原理是什么？2.电容式荷重传感器的工作原理是什么？电容式荷重传感器的工作原理是什么？3.什么是金属的电阻应变效应？利用应变效应解释金属电阻应什么是金属的电阻应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。变片的工作原理。三、计算题三、计算题 如图所示电路是电阻应变计中所用的不平衡电桥的简化电路，如图所示电路是电阻应变计中所用的不平衡电桥的简化电路，图中图中R2=R3=R是固定电阻，是固定电阻，R1与与R4是电阻应变片，工作时是电阻应变片，工作时R1受拉，受拉，R4受压，受压，R表示应变片发生应变后电阻值的变化量。当应变片不受表示应变片发生应变后电阻值的变化量。当应变片不受力，无应变时力，无应变时R=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，输出电压时，桥路失去平衡，输出电压U0。试证明：。试证明：R2R1 R3 R4 E a b d cU0