一文读懂电涡流传感器

电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。

传感器探头里有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。注意：电涡流传感器要求被测体必须是导体。

电涡流传感器的工作原理

当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。

如果在磁场H1的范围没有金属导体接近，则发射到这一范围内的能量都会被释放；反之，如果有金属导体接近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。

由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗。这种变化与电涡流效应有关，也与静磁学效应有关（与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离参数有关）。

假定金属导体是均质的，其性能是线形和各向同性的，则线圈——金属导体系统的磁导率u、电导率σ、尺寸因子r、线圈与金属导体距离δ线圈激励电流I和频率ω等参数来描述。因此线圈的阻抗可用函数Z=F（u，σ，r，δ，I，ω）来表示。

如果控制u，σ，r，I，ω恒定不变，那么阻抗Z就成为距离的单值函数，由麦克斯韦尔公式，可以求得此函数为一非线形函数，其曲线为“S”型曲线，在一定范围内可以近似为一线形函数。

通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离δ的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

一般来说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与导体的几何形状、导电率和磁导率有关。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有关。

如果控制上述参数中的一个参数改变，其余的不变，那么就可以构成测位移、测温度、测硬度等的各种传感器。

电涡流传感器的结构

电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。

电涡流传感器的特点

电涡流传感器通过电涡流效应原理，准确测量被测体与探头端面的相对位置，其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及预维修。

1、电涡流位移传感器能测量被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置。

2、电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。

3、从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心——转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，测量结果可靠、可信。

电涡流传感器的分类

按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的。

高频反射式电涡流传感器

高频(>lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离、金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i，及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

低频透射式电涡流传感器

低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈W1和接收线圈W2分别放在被测材料G的上下，低频电压e1加到线圈W1的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流i，此涡流损耗了部分能量，使贯穿W2的磁力线减少，从而使W2产生的感应电势e2减小。e2的大小与G的厚度及材料性质有关，实验证明，e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按e2的变化便可测得材料的厚度。

电涡流式传感器的测量电路

利用电涡流式变换元件进行测量时，为了得到较强的电涡流效应，通常激磁线圈工作在较高频率下，所以信号转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。

调幅式(AM)电路

调频式(FM)电路

当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。

电涡流传感器在大型旋转机械中的应用