电涡流式传感器的工作原理与分析

电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗变化(电感变化，Q 值变化)实现非电量电测。如图9-16 所示，通有交变电流的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流，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，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变，这些变化与导体几何形状、电导率、磁导率有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。若只控制上述参数中一个变化量，其余参量不变化，可构成位移测量、温度测量、硬度测量的不同参量的传感器。把被测导体上形成的电涡流等效为短路环，可以简化问题分析，其模型如图9-17 所示。

图9-16 电涡流式传感器基本原理示意图

图9-17 电涡流简化模型

式中，ri 为短路环等效内径；ra 为短路环等效外径；ras为传感器线圈外径；h 为电涡流贯穿深度(cm)；ρ 为导体电阻率(Ω·cm)；f 为电流频率(Hz)；μr 为相对磁导率。

根据简化模型可画出电涡流传感器工作时等效电路图，如图9-16 所示。假定传感器线圈原有电阻为R1，电感L1，则其复阻抗为

当被测导体靠近传感器线圈时，则成为一个耦合电感，线圈与导体之间存在一个互感系数M，互感系数随线圈与导体之间距离的减小而增大。短路环可看成短路线圈，电阻为R2，电感为L2。

由图9-18 所示等效电路，根据基尔霍夫定律，可列出电路方程组：

图9-18 等效电路(www.xing528.com)

传感器工作时的复阻抗为

电感为

品质因数为

L1、L2 及R2 的计算分析如下。

(1)电感的计算：

对于矩形截面的扁平圆线圈及短路环，电感可用下式计算：

式中，L 为电感量(H)；N 为匝数；D 为线圈或短路环平均直径(cm)；d =b/D；e =c/d；c 为线圈或短路环径向厚度(cm)；b 为线圈或短路环的宽度(cm)。

(2)导体短路环电阻的计算：

式中，R2 为短路环电阻(Ω)；h 为电涡流贯穿深度(cm)；ρ 为导体的电阻率(Ω·cm)；ra 为短路环的等效外径(cm)；ri 为短路环的等效内径(cm)。