低频透射式电涡流传感器的应用与原理

图9-19 低频透射式电涡流传感器原理图

1.低频透射式电涡流传感器

低频透射式电涡流传感器采用低频激励，因而能得到较大的贯穿深度，可用于测量金属材料的厚度。图9-19 所示为低频透射式电涡流传感器原理图。

低频透射式电涡流传感器由两个线圈组成，一个为发射线圈，一个为接收线圈，分别位于被测金属材料的两侧。线圈用漆包线绕在胶木骨架上制成，由振荡器产生低频电压加到发射线圈L1 两端，则接收线圈L2 两端将产生感应电压。若两线圈之间无金属导体，则L1 的磁力线就能够较多地穿过L2，于是在L2 上感生电压 最大。当放入金属板后，由于金属板内产生电涡流，电涡流产生的磁场将抵消L1的部分磁力线，使到达L2 的磁力线减少，从而使下降。

金属导体厚度越大，电涡流损耗越大，L1 的磁力线被抵消的越多，这样到达L2 的磁力线越少， 因而也就越小。

式中，δ 为被测导体厚度；h 为贯穿深度。

实际上被测金属中涡流的大小还与电阻率、金属材料的化学成分和物理状态(特别是温度)有关，于是带来测量误差，补救的方法是对不同化学成分的材料进行校正，并尽力保证被测材料温度恒定。接收线圈的感应电压与被测厚度的增大按负指数幂的规律下降，如图9-20 所示。对于确定的被测材料，其电阻率为定值，但当选用不同的测试频率f 时，贯穿深度不同，从而使曲线形状发生变化，即f 高时，各段的斜率相差很大；当f 低时，曲线近于平直。所以如需较宽的测厚范围，f 应取较低值，通常为1 kHz；而测薄板时，可用较高频率，以得到较高的灵敏度。

对于一定的测试频率f，当被测材料的电阻率不同时，贯穿深度也不同，曲线形状也发生变化。为使测不同ρ 值的材料所得的曲线形状相近，就需在ρ 变动时，保持贯穿深度不变，这时应该相应地改变频率f，即测ρ 值小的材料(如紫铜)时，选用较低的频率(f=500 Hz)，而测ρ 值较大的材料(如黄铜、铝)时，选用较高的频率(f=2 kHz)，从而保证了在测不同材料时，能具有基本相同的线性度和灵敏度。

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图9-20 贯穿深度对曲线的影响

2.电涡流式温度传感器

电涡流式温度传感器通过测量随温度而变化的导体电阻率的大小，可以非接触地测量金属表面的温度，或者液态、气态介质的温度，并且具有响应快，不受水、油及涂料等介质影响等特点。用来测量液态或气态介质温度的电涡流式传感器如图9-21 所示。这种传感器用金属作为温度敏感元件，测量时，把传感器端部放在被测的介质中，温度敏感元件由于周围温度的变化而引起它的电阻率的变化，从而导致线圈的等效阻抗变化，因而可以测定所在介质的温度。当用厚度为0.001 5 mm 的铅作为热元件，温度传感器的热惯性为0.001 s，因此便于快速测温。

图9-21 电涡流式温度传感器

1—温度敏感元件；2—电介质绝热衬垫；3—测量线圈；4—骨架；5—补偿线圈

3.电涡流式压力传感器

电涡流式压力传感器是一种具有良好的动态特性，并能在核爆炸等恶劣的工作条件下测量冲击波的传感器。图9-22 所示为一种压力传感器的结构示意图及其测量电路原理框图。这种传感器接入供电频率为1 MHz 的交流电桥，其频响范围为0 ～250 kHz，可测冲击波的上限压力值达686.5 MPa，可以分辨上升时间高达2 μs 的冲击波信号前沿。传感器的两个线圈各为100 匝，绕制成直径为3.18 mm 的扁平线圈，线圈与铍铜制成的金属膜片实现耦合。两个线圈由一个铍铜的支座固定，相距9.54 mm。传感器的前板用厚度为6.35 mm 的铍铜板制成，每个线圈与前板相距0.127 mm。测量膜片是在正对测量线圈的前板位置上打一个盲孔形成的，盲孔就是接受被测压力的介质作用于膜片上的通道。在无被测信号作用时，传感器的两个线圈感抗相等，交流电桥处于平衡。由于传感器的两个线圈封装在导热和导电性能良好的铍铜套筒内，并且线圈的支座也是用铍铜制成的，因此传感器存在良好的静电屏蔽和温度稳定性能。在传感器外面还套有钢制的套筒，使其具有良好的电磁屏蔽作用和足够的机械强度。必要时，在传感器的外壳套上铅套，还可防止核辐射和γ 射线辐射的影响。这种传感器适合于686.5 MPa 的静态压力标定，还适合压力值达343.2 MPa 的激波管动压标定。这种传感器测量电路的一个重要特点是在交流电桥与高频电源之间引入了一个电缆匹配器(匹配变压器)。匹配器可以置于传感器的壳体内，也可以置于离测压点不太远的地方。匹配器的初级匹配阻抗为75 Ω，可与75 Ω 的同轴电缆匹配。由于匹配器的作用，使测量系统的供电电缆和信号电缆的长度可以做得很长而不受电缆分布电容的影响。电缆的长度主要受电缆电阻对信号衰减的影响，根据测量要求，最长可达数千米。电桥的高频电源，要求有0.01%以上的幅度稳定性。在测量信号进入放大器之前，有一个相位校正电路供修正相移用。

图9-22 压力传感器及其测量电路框图

(a)1—测量孔；2—膜片；3—测量线圈；4—壳体；5—多线插座；6—平衡线圈
(b)1—传感器；2—匹配器；3—高频信号；4—输出放大器；5—振荡器；6—同步信号；7—测量信号；8—相位校正网络；9—输入放大器；10—解调器；11—输出端