电涡流式传感器

电涡流式传感器

eddy current type transducer 

　　利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。如果使上述参量中的某一个变动,其余皆不变，就可制成各种用途的传感器,能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等。它是一种很有发展前途的传感器。电涡流式传感器按用途可分为测量位移、接近度和厚度的传感器；按结构可分为变间隙型、变面积型、螺管型和低频透射型4类。 

　　变间隙型 　这种传感器结构很简单，主要元件是一个固定于传感器端部的线圈。当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时，就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化，从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化。为改善性能可在线圈内加入磁芯。 

　　变面积型 　这种传感器由绕在扁矩形框架上的线圈构成，它利用被测导体和传感器线圈之间相对覆盖面积的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移。为补偿间隙变化引起的误差常使用两个串接的线圈，置于被测物体的两边（图1）。它的线性测量范围比变间隙型的大，而且线性度较高。 
螺管型 　这种传感器由螺管和插入螺管的短路套筒组成，套筒与被测物体相连。套筒沿轴向移动时，电涡流效应引起螺管阻抗变化。这种传感器有较好的线性度，但是灵敏度较低，具有与螺管型电感式传感器（见电感式传感器）相似的特性，但没有铁损。 

　　低频透射型 　它由分别位于被测金属板材两面的发射线圈和接收线圈组成（图2 ），适于测量金属板材的厚度。发射线圈L1接到振荡器上后所产生的磁力线穿过金属板M,于是在接收线圈 L2两端产生感应电压u2。由于金属板内产生电涡流使到达L2的磁力线减小。金属板的厚度δ越大，透射的磁力线越少,因而u2也就越小。u2与δ之间呈指数变化关系：u2∝e-δ/h，式中h为磁力线的贯穿深度。贯穿深度取决于激励频率，为使贯穿深度大于板材厚度，要将频率选得低些。频率低还可改善线性度。激励频率一般选在500赫左右。 

　　应用 　电涡流式传感器能实现非接触式测量，而且是根据与被测导体的耦合程度来测量，因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的。在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位。电涡流传感器还可用作接近度传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式硬度计。