[电涡流传感器的电工、电子学分析] 电工与电子学

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　　收稿日期：2006-09-08� 　　作者简介：罗静萍（1944－），女，湖南湘潭人，武汉科技大学中南分校信息工程学院副教授。� 　　（武汉科技大学中南分校信息工程学院，湖北武汉 430223）��
　　
　　摘要：以电磁感应定律为基础，以基尔霍夫定律为工具，分析电涡流传感器的工作原理，得出相关结论。同时采用电子线路实现其参数转换，使之成为实用的检测技术和检测仪表。�
　　关键词：电涡流；传感器；基尔霍夫定律；稳频调幅式电子测量��
　　
　　1 引言�
　　电涡流由加贝(Gambey)在1824年的实验中发现。在摆动的磁铁下方放一块铜块，磁铁的摆动将会很快停止，从而指出了电涡流的存在。几年后，付科(Foucault)又证实了：在强的不均匀磁场内运动的铜盘中有电流存在。1831年，法拉第(Faraday)总结出电磁感应定律，成为解释涡流试验基本原理的重要依据。电涡流的实际应用始于1879年，到上世纪中叶，生产出了电涡流传感器及检测仪表，至今逐步形成了各种形式和用途的系列化电涡流检测仪表。�
　　电涡流检测技术是一种非接触式测量技术，它具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受油污介质的影响、抗干扰能力强等优点，在工业部门得到广泛应用。典型应用场合为火电厂汽轮机的轴向位移、振动、主轴偏心度测量，还可以用于测量压力、温度、转速、电导率、厚度和间隙等参数，以及探测金属材料表面的缺陷和裂纹。�
　　本文以电磁感应定律为基础，以基尔霍夫定律为工具，分析电涡流传感器的工作原理，得出影响其性能的有关结论。同时给出采用电子技术实现其参数转换的方法，使之成为能付诸实用的检测技术和检测仪表。因此本文对于教学也不失为一个很好的综合性范例。�
　　2 电涡流传感器工作原理分析�
　　电涡流传感器主要由一个扁平线圈构成。图1为电涡流传感器原理图，在离线圈（电涡流传感器）1某一距离d（可变）处有一块金属板导体（被测体）2。当线圈中通以频率为�ω的高频交变电流i1时，线圈周围便产生一高频交变的磁场Φ1。在此磁场范围的金属板内便会产生高频感应电流i2，由于这种电流在导体内呈闭合旋涡形状，故称之为涡流。同时，此电涡流也将产生一个交变磁场Φ2。根据有关电磁定律，电涡流磁场总是抵抗原磁场的存在，使导体内产生电涡流损耗，并引起原边线圈的等效电感L、等效阻抗Z和品质因素Q降低。�
　　
　　电感量L的变化大小与线圈的外形尺寸r、被测距离d、金属体材料的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及激励电流角频率ω等因素有关，即
　　
　　对指定的传感器探头，若金属导体为某一均质材料，激励电流是稳频稳幅的，则r,ρ,μ,ω，i均为定值，L仅与被测距离d有关，即等效电感L的变化可近似认为是距离d变化的单值函数。�
　　事实上，金属导体内的涡流难以直接测量，但涡流所产生的磁场对原激励磁场产生影响，使原边线圈的等效电感L、等效阻抗Z和品质因素Q发生变化。因此，通过测量L、Z、Q的变化量来测量位移，这就是电涡流传感器的基本原理。�
　　
　　3 等效电路分析方法�
　　
　　对电涡流传感器可采用等效电路方法分析，如图2所示。设：�R1和L1为传感器线圈的电阻和电感，R2和L2为被测导体的等效损耗电阻和电感，e为激励电压，M为互感系数。d减小，则M增大。由基尔霍夫定律可列出图2的方程组�
　　
　　反映两个线圈耦合的松紧程度，它与两个线圈的相互位置和方向有关。当两个线圈的轴线一致时，线圈靠得越近，耦合得越紧，互感系数M值越大，耦合系数k也随之增大。�
　　
　　4 影响电涡流传感器的基本因素分析�
　　
　　根据以上各式，我们可分析出影响电涡流传感器的因素。这里以阻抗公式（2）为例。�
　　若采用高频振荡源，则ωL2＞＞R2，2）式可近似为
　　
　　由此我们得出如下结论：��
　　(1)阻抗Z受耦合系数k影响较大，但k主要与其探头和金属导体的距离d有关。
　　(2)探头内阻R1、金属导体的内阻R2和电感L2对阻抗变化的影响较小。
　　(3)增加探头的电感L1与提高振荡频率ω有利于测量阻抗。�
　　以上是从电涡流损耗时对阻抗Z引起的变化，来讨论电涡流传感器的各种影响因素。还可根据式（5）从回路品质因素Q的角度，或者根据式（4）从线圈电感变化的角度出发进行讨论。�
　　
　　5 电涡流测量的电子技术实现方法�
　　
　　根据上述分析，电涡流传感器线圈与金属导体间的距离d的变化,可以变换为线圈的品质因素Q、等效电感L、等效阻抗Z三个参量的变化。接下来的工作是要采用适当的电子线路，将位移信号变换为电压或频率信号。
　　按照测量电路的工作原理，我们讨论一种稳频调幅式检测转换方法，如图4所示。�
　　
　　石英晶体振荡器为测量电路提供一个稳频稳幅的高频正弦波信号，以激励由传感器线圈L和电容C组成的并联谐振回路。当传感器处于非测量状态时，LC回路的固有振荡频率等于石英晶体振荡器输出的频率，产生谐振，LC回路的阻抗最大，因为LC回路与电阻R实际上组成了一个分压电路，因而输出电压uo亦为最大。当被测体接近传感器时，传感器线圈L产生的高频电磁场作用于被测体，由于被测金属板表面的涡流反射作用，使线圈L值降低，导致回路失谐，传感器的等效阻抗随被测距离d的减小而减小，输出电压也随之减小。�
　　可见，阻抗的变化是距离d的单值函数，而输出电压uo又是阻抗Z的单值函数，这样，就将位移d的变化量转换成电压u0的变化量，即u0＝f(d)。�
　　交流输出电压u0在前置放大器中进行高频交流放大、检波、滤波等环节处理后转换成直流电压U0输出，供指示、记录、报警和保护使用。由于这种测量方法载波频率不变，输出电压幅值变化，故称为稳频调幅法。�
　　得到的直流输出电压U0与位移的关系如图4所示，它是一条非线性曲线。当位移在线性区内，电涡流传感器测量电路输出的直流电压信号值与被测位移量或振动幅值成正比。将线性区作为电涡流传感器的工作区，据此可形成具有实用价值的电涡流传感器检测技术和检测仪表。�
　　
　　参考文献
　　[1]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社,2005.
　　[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2005.�
　　[3][ZK(]王志祥.热工保护与顺序控制[M].北京：中国电力出版社,1998.

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