基于涡流效应的电涡流式传感器研制

覃虎

摘要：论述了电涡流传感器结构原理与特性以及分类，并通过电桥法及谐振法对电路测量的应用进行了探讨。

关键词：电涡流式传感器；电路测量；探讨

电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器可以非接触测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强，有非接触测量等等的优点。

1电涡流传感器结构原理与特性

当通过金属体的磁通过变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。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，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的^[31]。如图1(a)所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I₁时，线圈周围就产生一个交变磁场H₁。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I₂，电涡流也将产生一个新磁场H₂，H₂与H₁方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。

一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。

（a）电涡流传感器原理图 （b）电涡流传感器等效电路图

图1 电涡流传感器原理图和等效电路图

可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图1(b)所示的等效电路。图中R₁、L₁为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R₂、电感为L₂。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大根据等效电路可列出电路方程组：

（1）

通过解方程组，可得I₁、I₂。

因此传感器线圈的复阻抗为：

（2）

线圈的等效电感为 ：

（3）

由式（2）和（3）可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数，而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。

2电涡流式传感器的分类

2.1高频反射式电涡流传传感器

这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。

2.2低频透射式电涡流传感器

这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。为了较好地进行厚度测量，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利进行厚度测量，通常选1kHz左右。一般地说，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量ρ较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量ρ较大的材料，则应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。

3测量电路

3.1电桥法

它是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图2是电桥法的电原理图，图中线圈A和B为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。

图2电桥法测量电路原理图

3.2 谐振法

这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化。传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。并联谐振回路的谐振频率为: ；且谐振时回路的等效阻抗最大，等于 ；式中， 为回路的等效损耗电阻。当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。

调频式测量电路的原理是被测量变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率发生变化。频率变化间接反映了被测量的变化。电涡流传感器的线圈是作为一个电感元件接入振荡器中的。图3是调频式测量电路的原理图，它包括电容三点式振荡器和射极输出器两个部分。为减小传感器输出电缆的分布电容C_x的影响，通常把传感器线圈L和调整电容C都封装在传感器中，这样电缆分布电容的影响并联到大电容C₂、C₃上，因而对谐振频率的影响将减小。

图3 调频式测量电路原理框图

电桥法和谐振法相比较起来，电桥法比较简单，谐振法相对复杂。

参考文献：

[1] 谭祖根，汪乐宇编著.电涡流检测技术[M].北京：原子能出版社，2016，1-72.

[2] 谭祖根，陈守川.电涡流传感器的基本原理分析于参数选择[J].仪器仪表学报，2015, (1)：114-122.