高精度电涡流位移传感器

成块的金属置于变化着的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属体内就要产生感生电流，这种电流的流线在金属体内是闭合的，所以叫做涡流。涡流的大小与金属体的电阻率ρ，磁导率μ，厚度t以及线圈与金属的距离x，线圈的励磁电流角频率ω等参数有关。固定其中的若干参数，就能按涡流的大小测量出另外某一参数。

电涡流位移传感器就是利用线圈与金属的距离x与涡流的关系来工作的，这是一种非接触的位移检测设备。

电涡流传感器主要可分为高频反射式涡流传感器和低频投射式涡流传感器两类。但高频反射式涡流传感器的应用较为广泛。

1.基本原理

电涡流式传感器产生的基本原理如图11-31所示，当通有一定交变电流I（频率为f）的电感线圈靠近金属导体时，在金属周围产生交变磁场，在金属表面将产生电涡流，根据电磁感应理论，电涡流也将形成一个方向相反的磁场。此电涡流的闭合流线的圆心，与线圈在金属板上的投影的圆心重合。据有关资料介绍，涡流区和线圈几何尺寸有如下关系

图11-31 电涡流式传感器原理

1—金属导体 2—电涡流区 3—电感线圈L

2R=1.39D；2r=0.525D

式中 2R——电涡流区外径；

2r——电涡流区内径。

涡流渗透深度

式中 ρ——导体电阻率（Ω·cm）；

f——交变磁场的频率（Hz）；

μ_r——相对磁导率

在金属导体表面感应的涡流所产生的电磁场又反作用于线圈L上，力图改变线圈电感量的大小，其变化强度与线圈L的尺寸大小、距离x，以及ρ、μ_r有关。

2.等效电路

涡流式传感器的等效电路如图11-32所示，空心线圈可看作变压器的二次线圈L，金属导体中涡流回路视作变压器一次线圈。

当对线圈L施加交变激励信号时，则在线圈周围产生交变磁场，环状涡流也产生交变磁场。线圈L和环状电涡流之间存在互感M，其大小取决于金属导体和线圈之间的距离x。根据克希霍夫定律可列出如下方程

图11-32 等效电路

式中 R、L——空心线圈电阻和电感；

R₁、L₁——涡流回路的等效电阻和电感；

M——线圈与金属导体之间的互感；

由式（11-34）解得

当线圈与被测金属导体靠近时（考虑到涡流的反作用），线圈的等效阻抗可由下式求得

线圈的等效电阻和电感分别为

(www.xing528.com)

线圈的等效Q值为

由式（11-35）可知，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Q值下降；同时看到，电涡流式传感器等效电路参数均是互感系数M和电感L、L₁的函数，故这类传感器归为电感式传感器。

3.位移测量

由式（11-35）等可知，电涡流传感器的等效阻抗Z与被测材料的电阻率ρ，导磁率μ_r，激励频率f及线圈与被测件间的距离x有关。当ρ，μ_r，f确定后，Z只与x有关，通过适当的测量电路，可得到输出电压与距离x的关系，见图11_-33。由电磁学中的毕奥-萨伐尔定律，在单匝线圈轴线上任一点P处的磁场感应强度B_p为

式中 μ₀——真空的磁导率；

r——线圈的半径；

I——通过线圈的电流；

x——轴线上某点P至线圈中心的距离。

图11-33 单匝载流线圈轴线上任一点的磁场

图11-34 B_p-x曲

如图11-34所示，当I为恒值时，不同的r值可以作出不同的B_p-x特性曲线，由图11-34可见，在相同的电流条件下，半径小的载流线圈，在离线圈近处产生的磁感应强度大，但轴向衰减仍较快；而半径大的载流线圈，其磁感应强度在离线圈近处，虽然较半径小的载流线圈要小，但在远距离处的磁感应强度反而比半径小的要大。这说明半径大的线圈测量的范围可以大，但在小距离处灵敏度不及半径小的线圈高。这是因为半径小的载流线圈轴向磁场改变得快。而一个载流扁平圆线圈，可以看作是由若干个单匝载流线圈组成的。因此，载流扁平圆线圈产生的磁场可以认为由相应的圆电流圈的磁场叠加而成，经过分析，可仍得出下面的结论：当线圈外径大时，传感器的灵敏度范围大，线性范围相应会增大，但灵敏度降低；线圈外径小时，线性范围虽然减小，但灵敏度增大。线圈薄时灵敏度高，线圈内径改变时，只有在被测体与传感器靠近处略有变化。因此，在设计传感器时，为了使一定大小外径的传感器有较大的线性测量范围和尽可能高的灵敏度，要求线圈的厚度愈薄愈好；对于要求线性测量范围大的传感器，其外径要大；若测量范围小而要求灵敏度高，则要求传感器的外径小。传感器的线性测量范围在未采用线性补偿时，一般为线圈外径的1/3～1/5。因此，若要测量范围大，则线圈外径要很大，这往往使传感器的安装有困难。但从式（11-39）可知，若在线圈中加入铁心，即可使_μ0改变，从而使B_p增加，因此，在柴油机电控技术中，齿杆位移传感器中，北京理工大学开发了带铁心的电涡流大行程位移传感器，如图11-35所示。但这样会产生温度误差。另外，柴油机工作环境温差较大，冬季冷启动时，可能只有-40℃，夏季工作中，环境温度又可能+40℃以上。所以保证传感器在整个工作温度范围内的稳定性也很重要。为此，采用了两个性能参数相同的励磁线圈，中间引出公共点。一个涡流环做成固定式，固定在量程中点处，作为温度补偿用，另一个涡流环做成滑动式，一端与喷油泵齿杆固定，另一端空套在另一个线圈的铁心上。这样，通过适当的检测电路，可消除环境温度变化带来的误差。

4.测量电路

用于涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式两种。

（1）调频式电路 调频式测量电路原理如图11-36所示传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数f=L（x），该频率可由数字频率计直接测量，或者通过F-V变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡器电路如图11-37所示。它由克拉泼（Clapp）电容三点式振荡器（C₂、C₃、L、C和V₁）以及射极跟随器两部分组成，振荡器的频率为，为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内部。此时，电缆分布电容并联在大电容C₂，C₃上，因而对振荡频率f的影响就大大减小。

图11-35 电涡流大行程位移传感器

1—线圈1 2—线圈2 3—涡流环2 4—涡流环1 5—铁心

图11-36 调频式测量电路原理

图11-37 振荡器电路图

（2）调幅式电路 传感器线圈L和电容器C并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体振荡回路，如图11-38所示，石英晶体振荡器起一个恒流源的作用，给谐振回路提供一个稳定频率（f₀），激励电流i₀，LC回路输出电压为

U₀=i₀f（Z）

式中 Z——LC回路的阻抗。

当金属导体远离或被去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f₀，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化，因此，输出电压也随x而变化。输出电压经过放大，检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。

图11-38 调幅式电路示意图