第五章電渦流式傳感器在電路中，我們學過：當導體處于交變磁場中時，鐵心會因電磁感應而在內部產生自行閉合的電渦流而發熱。因而，為了減小電渦流，避免發熱，變壓器和交流電動機的鐵心都是用硅鋼片疊制成的。生產生活中也可以利用電渦流做有用的工作，比如電磁爐、中頻爐、高頻淬火等都是利用電渦流原理而工作的。第五章電渦流式傳感器在電路中，我們學過：當導體處于交變1電渦流式傳感器是基于電渦流效應原理制成的傳感器。1.工作原理

金屬導體置于變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，電流就像水中的漩渦一樣在導體內轉圈，稱之為電渦流或渦流。這種現象稱為渦流效應。如圖3-35.a)

b)圖3-35渦流式傳感器基本原理圖電渦流式傳感器是基于電渦流效應原理制成的傳感器。1.工作2一個通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產生一個交變磁場H1，當被測金屬置于該磁場范圍內，金屬導體內便產生渦流I2，渦流也將產生一個新磁場H2，

H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量L、阻抗Z和品質因數Q發生變化

。

線圈與金屬導體之間存在磁性聯系。

一個通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍3渦流效應的特性：由于渦流效應在金屬導體內產生電渦流I2，I2在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面，這稱為集膚效應。電渦流具有集膚效應，它與激勵源頻率f、工件的電導率、磁導率等有關。頻率越高，電渦流的滲透深度就越淺，集膚效應就越嚴重。渦流效應的特性：4由于存在集膚效應，電渦流方法只能檢測導體表面的各種物理參量。改變頻率f，可控制檢測深度。激勵源頻率一般為100kHz~1MHz.為了使電渦流深入金屬導體深處，或對距離較遠的金屬體進行檢測，可采用十幾千赫甚至幾百赫茲的低頻激勵頻率。由于存在集膚效應，電渦流方法只能檢測導體表面的各種物理參量。5a)

b)渦流式傳感器基本原理圖2.等效電路及其分析把導體形象地看作一個短路線圈，那么線圈與導體間的關系可用圖3-35b)所示的電路來表示。根據基爾霍夫定律，可列出電路方程組為

a)6

（3-41）

解此方程組，得傳感器工作時的等效阻抗為（3-42）等效電阻、等效電感分別為（3-43）（3-44）（3-41）解此方程組，得傳感器工作時的等效阻抗為（3-7線圈的品質因數為

（3-45）可以看出，當被測參數變化，既能引起線圈阻抗Z變化，也能引起線圈電感L和線圈品質因數Q值變化。而這些參數的變化量的大小與導體的電阻率ρ、磁導率μ和線圈與導體的距離x以及線圈激勵電流的角頻率和導體的表面因素r等參數有關，都將通過渦流效應和磁效應與線圈阻抗發生聯系。或者說，線圈組抗是這些參數的函數，可寫成線圈的品質因數為（3-45）可以看出，當被測參數變化，既能8Z=f（ρ、μ、x、r、ω）

控制其中大部分參數恒定不變，只改變其中一個參數，這樣阻抗就能成為這個參數的單值函數。例如被測材料的情況不變，激勵電流的角頻率不變，則阻抗Z就成為距離x的單值函數。利用此原理便可制成渦流位移傳感器。Z=f（ρ、μ、x、r、ω）控制其中大部分參數恒定不9渦流位移傳感器原理：實驗證明，當距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。線圈的感抗XL的變化比R的變化快，則渦流線圈的阻抗是減小的，線圈中的電流i1是增大的。反之，則i1減小。而且由于線圈的品質因數Q（Q=XL/R=L/R)與等效電感成正比，與等效電阻成反比，所以當電渦流增大時，Q下降很多。利用此原理可以制作多種電渦流傳感器，如位移測量、轉速測量、接近開關等。渦流位移傳感器原理：103、電渦流式傳感器的結構電渦流式傳感器主要是一個繞制在框架上的繞組,常用的是矩形截面的扁平繞組。導線選用電阻率小的材料，一般采用高強度漆包線，銀線或銀合金線。框架要求采用損耗小、電性能好、熱膨脹系數小的材料，一般選用聚四氟乙烯、高頻陶瓷等。以CZF型渦流傳感器為例，如圖3-40所示。3、電渦流式傳感器的結構電渦流式傳感器主要是一個繞制在框架上11圖3-40CZF型渦流式傳感器的結構圖圖3-40CZF型渦流式傳感器的結構圖12這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用其耦合程度的變化作為測量值，無論是被測體的物理性質，還是它的尺寸和形狀都與測量裝置的特性有關。作為傳感器的測量裝置的線圈僅為實際傳感器的一半，而另一半是被測體。CZF型傳感器的性能見表3-1。這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用其耦合程度134、測量轉換電路電渦流探頭與被測物之間的互感量變化可以轉換為傳感器線圈阻抗Z和品質因數Q等參數的變化。轉換電路的作用是把這些參數轉換為電壓或電流的輸出。（1）電橋電路圖3-41電橋電路原理圖4、測量轉換電路電渦流探頭與被測物之間的互感量變化可以轉換為14電橋電路中線圈L1、L2為傳感器線圈，它們與電容C1、C2，電阻R1、R2組成電橋的四個臂。振蕩器提供電源，振蕩頻率根據需要選擇。當線圈阻抗變化時，電橋失去平衡。不平衡輸出經線性放大和檢波，得到輸出。電橋電路中線圈L1、L2為傳感器線圈，它們與電容C1、C2，15圖3-42高頻調幅式測量轉換電路調幅式是以輸出高頻信號的幅度來反映電渦流探頭與被測導體之間的關系。圖3-42是高頻調幅式電路。（2）調幅式電路圖3-42高頻調幅式測量轉換電路調幅式是以輸出高頻信號16石英晶體振蕩器通過耦合電阻R，向由探頭線圈和一個微調電容C0組成的并聯諧振回路提供一個穩幅的高頻激勵信號，相當于一個恒流源。測量時，先調節C0，使LC0的諧振頻率等于石英晶體振蕩器的頻率f0，此時諧振回路的Q值和阻抗Z也最大，恒定電流Ii在LC0并聯諧振回路上的壓降U0也最大。石英晶體振蕩器通過耦合電阻R，向由探頭線圈和一個微調電容C017當被測體為非磁性金屬時，物體接近探頭時，由于渦流效應，線圈的等效電感L減小，并引起線圈品質因數Q值的下降，并聯諧振回路諧振頻率不再等于石英晶振的頻率而發生失諧狀態，使輸出電壓U0大大降低。當被測體為磁性金屬時，探頭線圈的電感量略為增大，但由于被測磁性金屬體的磁滯損耗，使探頭線圈的Q值也大大下降，輸出電壓U0也降低。在以上兩種情況下，被測體與探頭的間距越小，輸出電壓就越低。經高頻放大、檢波、低放之后，輸出的直流電壓反映了被測物的位移量。以上幾種情況見圖3-42-1當被測體為非磁性金屬時，物體接近探頭時，由于渦流效應，線圈的18圖3-42-1定頻調幅式的諧振曲線0-探頭與被測物間距很遠時1-非磁性金屬與探頭間距較小時2-非磁性金屬、間距與探頭線圈直徑相等時3-磁性金屬、間距較小時圖3-42-1定頻調幅式的諧振曲線0-探頭與被測物間距很19（3）調頻式電路所謂調頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調電容C0構成LC振蕩器，以振蕩器的頻率f作為輸出量。此頻率可通過f/V轉換器（又稱鑒頻器）轉換成電壓，由表頭顯示。也可以直接將頻率信號（TTL）信號送到計算機的計數定時器，測出頻率。如圖3-43.圖3-43調頻式測量轉換電路原理圖（3）調頻式電路所謂調頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調電容20并聯諧振回路的諧振頻率為并聯諧振回路的諧振頻率為21當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電感量L隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率改變，此頻率可直接用計算機測量。用模擬儀表顯示，必須用鑒頻器，將頻率f轉換為電壓U。5、電渦流傳感器的應用（1）位移測量

某些旋轉機械，如高速旋轉的汽輪機對軸向位移的要求很高。當汽輪機運行時，葉片在高壓蒸氣推動下高速旋轉，它的主軸承受巨大的軸向推力。若主軸的位移超過規定值時，葉片有可能與其他部件碰撞而斷裂。利用電渦流原理可以測量汽輪機主軸的軸向位移、電動機軸向竄動等。電渦流軸向位移監測保護裝置電渦流探頭的安裝如圖4—44所示。當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電感量L隨之改變，引起L22圖3-44軸向位移的監測1-旋轉設備（汽輪機）2-主軸3-軸聯器4-電渦流探頭5-發電機6-基座7-夾緊螺母圖3-44軸向位移的監測1-旋轉設備（汽輪機）2-主軸23在設備停機時，將探頭安裝在與聯軸器端面2mm距離的機座上，調節二次儀表使示值為零。當汽輪機啟動后，長期監測其軸向位移量。可以發現，由于軸向推力和軸承的磨損而使探頭與聯軸器端面的間隙減小，二次儀表的輸出電壓從零開始增大。可調整二次儀表面板上的報警設定值，使位移量達到危險值時，二次儀表發出報警信號或發出停機信號以避免事故發生。上述測量屬于動態測量。在設備停機時，將探頭安裝在與聯軸器端面2mm距離的機座上，調24（2）振動測量

電渦流式傳感器可以無接觸地測量各種振動的振幅、頻譜分布等參數。在研究機器振動時，常常采用多個傳感器放置在機器不同部位進行檢測，得到各個位置的振幅值和相位值，從而畫出振型圖，測量方法如圖4—45所示。（2）振動測量電渦流式傳感器可以無接觸地測量各種振動的振幅25圖4-45振幅測量（b）長軸多線圈測量（a）徑向振動測量圖4-45振幅測量（b）長軸多線圈測量（a）徑向振動測量26（c）葉片振動測量（c）葉片振動測量27（3）轉速測量若旋轉體上已開有一條或數條槽或做成齒狀，則可在旁邊安裝一個電渦流式傳感器，如圖4—46所示。當轉軸轉動時，傳感器周期地改變著與旋轉體表面之間的距離。于是它的輸出電壓也周期性地發生變化，此脈沖電壓信號經放大、變換后，可以用頻率計測出其變化的重復頻率，從而測出轉軸的轉速，若轉軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數為f(單位為Hz)，轉速按下式求得：3-46（3）轉速測量若旋轉體上已開有一條或數條槽或做成齒狀，則可28圖3-46轉速測量(a)帶凹槽轉軸(b)帶凸槽轉軸圖3-46轉速測量(a)帶凹槽轉軸(b)帶凸槽轉29（4）安全檢測圖3-47電渦流式通道安全檢查門簡圖（4）安全檢測圖3-47電渦流式通道安全檢查門簡圖30圖3-48電渦流式通道安全檢查門電路原理框圖圖3-48電渦流式通道安全檢查門電路原理框圖31安全門原理：L11、L12為發射線圈，L21、L22為接收線圈，密封在門框內。晶振產生的音頻信號通過L11、L12在線圈周圍產生同頻率的交變磁場。因為L11、L12與L21、L22相互垂直，成電氣正交狀態，無磁路交鏈，U0=0。當有金屬物體通過L11、L12形成的交變磁場H1時，交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流。電渦流也將產生一個新的微弱磁場H2，但與L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感應出電壓。計算機根據感應電壓的大小確定金屬物體的大小。

通常配置x光掃描儀進行成像掃描。更嚴格的用弱能量的中子發射管和質譜儀來檢測密封的箱包中的爆炸物等化學物品。

安全門原理：L11、L12為發射線圈，L21、L22為接收線32（5）表面探傷（7）探雷（4）鍍層厚度測量圖3-49輸油管表面裂紋檢測（5）表面探傷（7）探雷（4）鍍層厚度測量圖3-49輸油33

利用電渦流傳感器可以檢查金屬表面(已涂防銹漆)的裂紋以及焊接處的缺陷等。檢測過程中，傳感器與被測導體保持距離不變。由于缺陷將引起導體電導率、磁導率的變化，使電渦流變小，從而引起輸出電壓突變。圖3-49是用電渦流探頭檢測高壓輸油管表面裂紋的示意圖。兩只導向輥以相同的方向旋轉，油管在它們的驅動下，勻速地在楔形電渦流探頭下方轉動，并向前挪動。探頭對油管表面逐點掃描，得到圖3-50的輸出信號。當油管存在裂紋時，電渦流所走的路程大為增加(見圖3-49b)，所以電渦流突然減小，輸出波形如圖3-50中的“尖峰”所示。該信號十分紊亂，用肉眼很難分辨出缺陷性質。將該信號通過帶通濾波器，濾去表面不平整、抖動等因素造成的異常輸出后，得到圖3-50b中的兩個尖峰信號。調節電壓比較器的閾值電壓，得到真正的缺陷信號。利用電渦流傳感器可以檢查金屬表面(已涂防銹漆)的裂紋以及34圖3-50探傷輸出信號圖3-50探傷輸出信號35圖3-51金屬鍍層厚度檢測

（6）金屬鍍層厚度檢測圖3-51金屬鍍層厚度檢測（6）金屬鍍層厚度檢測36用電渦流原理可以測量塑料表面金屬鍍層的厚度，以及印刷電路版銅箔的厚度等。如圖3-51所示。由于存在集膚效應，鍍層越簿，電渦流越小。根據輸出的電壓大小確定厚度。事先需用電渦流儀對標準厚度的鍍層作出“厚度-輸出”電壓

的標定曲線來對照。（7）探雷用電渦流原理可以測量塑料表面金屬鍍層的厚度，以及印刷電路版銅37（8）接近開關簡介接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發出“動作”信號，而不象機械式行程開關那樣，需要施加機械力。它給出的是開關信號(高電平或低電平)，多數接近開關具有較大的負載能力，能直接驅動中間繼電器。（8）接近開關簡介接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距38接近開關的核心部分是“感辨頭”，它必須對正在接近的物體有很高的感辨能力。在生物界里，眼鏡蛇的尾部能感辨出人體發出的紅外線。而電渦流探頭就能感辨金屬導體的靠近。接近開關可以用于高速計數、測速，確定金屬物體的存在和位置，測量物位和液位，用于人體保護和防盜以及無觸點按鈕等。接近開關的定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和耐磨性、耐腐蝕性等也是一般機械式行程開關所不能相比的。接近開關的核心部分是“感辨頭”，它必須對正在接近的物體有很高39接近開關的外形如圖3-52和3-53所示，可根據不同的用途選擇不同的型號。圖中a）便于調整與被測物的間距，b）、c）可用于板材的檢測，d）、e）可用于線材的檢測。圖3-52接近開關的結構形式一a)圓柱形b)平面安裝型接近開關的外形如圖3-52和3-53所示，可根據不同的用途選40圖3-53接近開關的結構形式二d)方形e)貫穿形圖3-53接近開關的結構形式二d)方形e)貫穿形41接近開關的特點

與機械開關相比，接近開關具有如下特點：①非接觸檢測，不影響被測物的運行工況；②不產生機械磨損和疲勞損傷，工作壽命長；③響應快，一般響應時間可達幾毫秒或十幾毫秒；④采用全密封結構，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強；⑤無觸點、無火花、無噪聲，所以適用于要求防爆的場合(防爆型)；⑥輸出信號大，易于與計算機或可編程控制器(PLC)等接口；⑦體積小，安裝、調整方便。缺點:觸點容量較小，輸出短路時易燒毀。接近開關的特點42接近開關的主要特性

1．額定動作距離在規定的條件下所測定到的接近開關的動作距離(mm)；2．工作距離接近開關在實際使用中被設定的安裝距離。在此距離內，接近開關不應受溫度變化、電源波動等外界干擾而產生誤動作；接近開關的主要特性43

3．動作滯差指動作距離與復位距離之差的絕對值。滯差大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就強；滯差特性3．動作滯差滯差特性444．重復定位精度(重復性)它表征多次測量動作距離。其數值的離散性的大小一般為動作距離的1％～5％。離散性越小，重復定位精度越高。5．動作頻率指每秒連續不斷地進入接近開關的動作距離后又離開的被測物個數或次數。若接近開關的動作頻率太低而被測物又運動得太快時，接近開關就來不及響應物體的運動狀態，有可能造成漏檢。4．重復定位精度(重復性)45接近開關的規格及接線方式圖3-54所示是接近開關的一種典型的三線制接線方式。圖3-54三線制接近開關接近開關的規格及接線方式圖3-54所示是接近開關的一種典型的46圖3-55三線制接近開關之NPN、OC門常開輸出電路當被測物體未靠近接近開關時，Ib=0，OC門截止，OUT端為高阻態(接入負載后為高電平)；當被測體靠近到動作距離時，OC門的輸出端對地導通，OUT端對地為低電平。將中間繼電器跨接在+VCC與OUT端上時，KA就處于吸合(得電)狀態。圖3-55三線制接近開關之NPN、OC門常開輸出電路當被47圖3-56三線制接近開關輸出波形圖3-56三線制接近開關輸出波形48接近開關的應用實例生產工件加工定位在機械加工自動生產線上，可以使用接近開關進行工件的加工定位，圖3-57是它的示意圖。當傳送機構將待加工的金屬工件運送到靠近“減速”接近開關的位置時，該接近開關發出“減速”信號，傳送機構減速，以提高定位精度。當金屬工件到達“定位”接近開關面前時，定位接近開關發出“動作”信號，使傳送機構停止運行。緊接著，加工刀具對工件進行機械加工。接近開關的應用實例生產工件加工定位49圖3-57工件的加工定位1-機床2-刀具3-工件4-加工位置5-減速接近開關6-定位接近開關7-傳送機構8-計數器及位置控制器圖3-57工件的加工定位1-機床2-刀具3-工件4-加50圖3-58工件的加工定位的感辨頭及調幅式轉換電路圖3-58工件的加工定位的感辨頭及調幅式轉換電路51工件定位感辨頭的內部工作原理：當金屬體接近感辨頭時，隨著金屬表面電渦流的增大，電渦流線圈的Q值越來越低，因為振蕩器的能量被金屬體所吸收，所以其輸出電壓U01轉來越低，甚至停振，使U01=0。比較器將U01與基準電壓UR作比較。當U01<UR時，比較器翻轉，輸出高電平，報警器報警（閃亮），執行機構動作（停機）。在該機構中，還可將“減速”接近開關的信號接到計數器輸入端。當傳送帶上的每一個工件從該開關經過時，接近開關動作一次，輸出一個計數脈沖，計數器加1。計數時涉及抖動導致的重復讀數的問題，由于接近開關的滯差特性而解決這一問題（如圖3-59所示）。工件定位感辨頭的內部工作原理：當金屬體接近感辨頭時，隨著金屬52圖3-59工件的加工定位的滯差特性圖3-59工件的加工定位的滯差特性53電磁爐作為一種新型灶具,它打破了傳統的明火烹調方式采用磁場感應電流（渦流）的加熱原理。電磁爐是通過電子線路產生交變磁場(工作頻率在20-30千赫的中頻)、當用含鐵質鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵分子高速無規則運動，分子互相碰撞、摩擦而產生熱能（故：電磁爐的熱源來自于鍋具底部而不是電磁爐本身發熱傳導給鍋具）使器具本身自行高速發熱，用來加熱和烹飪食物，從而達到煮食的目的。電磁爐作為一種新型灶具,它打破了傳統的明火烹調方式采用磁場感54中頻爐也是一種電磁爐，工作過程如下：首先是通過一個逆變電源，把三相交流電整流（用晶閘管）變成單相直流電，然后由逆變橋逆變成一種500-1000Hz的中頻脈沖交流電，再通過爐膽內的銅圈形成磁場，磁場使線圈內的鋼材產生渦流，渦流流過被加熱的鋼材，產生熱量，從而達到熔煉鋼材的目的。

逆變器，是一種逆變裝置。他和變壓器有直接區別，也就是說，他可以實現直流輸入，然后輸出交流，工作原理和開關電源一樣，但震蕩頻率在一定范圍內，比如如果這個頻率為50HZ，輸出則為交流50HZ。逆變器是可以改變其頻率的設備。

中頻爐也是一種電磁爐，工作過程如下：首先是通過一個逆變電源，55感應加熱的基本原理：將工件放在感應器中，當感應器中通過交變電流時，在感應器周圍產生與電流頻率相同的交變磁場，在工件中相應地產生了感應電動勢，在工件表面形成感應電流，即渦流。這種渦流在工件的電阻的作用下，電能轉化為熱能，使工件表面溫度達到淬火加熱溫度，可實現表面淬火。

高頻淬火（高頻感應加熱）：是采用集膚效應的電渦流原理改變工件表層一定深度的金屬組織和硬度，電流頻率在100～500kHz（千赫），有效淬硬深度為0.5～2mm（毫米），主要用于要求淬硬層較薄的中、小型零件，如小模數齒輪、中小型軸等。

感應加熱的基本原理：56第五章電渦流式傳感器在電路中，我們學過：當導體處于交變磁場中時，鐵心會因電磁感應而在內部產生自行閉合的電渦流而發熱。因而，為了減小電渦流，避免發熱，變壓器和交流電動機的鐵心都是用硅鋼片疊制成的。生產生活中也可以利用電渦流做有用的工作，比如電磁爐、中頻爐、高頻淬火等都是利用電渦流原理而工作的。第五章電渦流式傳感器在電路中，我們學過：當導體處于交變57電渦流式傳感器是基于電渦流效應原理制成的傳感器。1.工作原理

金屬導體置于變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，電流就像水中的漩渦一樣在導體內轉圈，稱之為電渦流或渦流。這種現象稱為渦流效應。如圖3-35.a)

b)圖3-35渦流式傳感器基本原理圖電渦流式傳感器是基于電渦流效應原理制成的傳感器。1.工作58一個通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產生一個交變磁場H1，當被測金屬置于該磁場范圍內，金屬導體內便產生渦流I2，渦流也將產生一個新磁場H2，

H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量L、阻抗Z和品質因數Q發生變化

。

線圈與金屬導體之間存在磁性聯系。

一個通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍59渦流效應的特性：由于渦流效應在金屬導體內產生電渦流I2，I2在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面，這稱為集膚效應。電渦流具有集膚效應，它與激勵源頻率f、工件的電導率、磁導率等有關。頻率越高，電渦流的滲透深度就越淺，集膚效應就越嚴重。渦流效應的特性：60由于存在集膚效應，電渦流方法只能檢測導體表面的各種物理參量。改變頻率f，可控制檢測深度。激勵源頻率一般為100kHz~1MHz.為了使電渦流深入金屬導體深處，或對距離較遠的金屬體進行檢測，可采用十幾千赫甚至幾百赫茲的低頻激勵頻率。由于存在集膚效應，電渦流方法只能檢測導體表面的各種物理參量。61a)

b)渦流式傳感器基本原理圖2.等效電路及其分析把導體形象地看作一個短路線圈，那么線圈與導體間的關系可用圖3-35b)所示的電路來表示。根據基爾霍夫定律，可列出電路方程組為

a)62

（3-41）

解此方程組，得傳感器工作時的等效阻抗為（3-42）等效電阻、等效電感分別為（3-43）（3-44）（3-41）解此方程組，得傳感器工作時的等效阻抗為（3-63線圈的品質因數為

（3-45）可以看出，當被測參數變化，既能引起線圈阻抗Z變化，也能引起線圈電感L和線圈品質因數Q值變化。而這些參數的變化量的大小與導體的電阻率ρ、磁導率μ和線圈與導體的距離x以及線圈激勵電流的角頻率和導體的表面因素r等參數有關，都將通過渦流效應和磁效應與線圈阻抗發生聯系。或者說，線圈組抗是這些參數的函數，可寫成線圈的品質因數為（3-45）可以看出，當被測參數變化，既能64Z=f（ρ、μ、x、r、ω）

控制其中大部分參數恒定不變，只改變其中一個參數，這樣阻抗就能成為這個參數的單值函數。例如被測材料的情況不變，激勵電流的角頻率不變，則阻抗Z就成為距離x的單值函數。利用此原理便可制成渦流位移傳感器。Z=f（ρ、μ、x、r、ω）控制其中大部分參數恒定不65渦流位移傳感器原理：實驗證明，當距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。線圈的感抗XL的變化比R的變化快，則渦流線圈的阻抗是減小的，線圈中的電流i1是增大的。反之，則i1減小。而且由于線圈的品質因數Q（Q=XL/R=L/R)與等效電感成正比，與等效電阻成反比，所以當電渦流增大時，Q下降很多。利用此原理可以制作多種電渦流傳感器，如位移測量、轉速測量、接近開關等。渦流位移傳感器原理：663、電渦流式傳感器的結構電渦流式傳感器主要是一個繞制在框架上的繞組,常用的是矩形截面的扁平繞組。導線選用電阻率小的材料，一般采用高強度漆包線，銀線或銀合金線。框架要求采用損耗小、電性能好、熱膨脹系數小的材料，一般選用聚四氟乙烯、高頻陶瓷等。以CZF型渦流傳感器為例，如圖3-40所示。3、電渦流式傳感器的結構電渦流式傳感器主要是一個繞制在框架上67圖3-40CZF型渦流式傳感器的結構圖圖3-40CZF型渦流式傳感器的結構圖68這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用其耦合程度的變化作為測量值，無論是被測體的物理性質，還是它的尺寸和形狀都與測量裝置的特性有關。作為傳感器的測量裝置的線圈僅為實際傳感器的一半，而另一半是被測體。CZF型傳感器的性能見表3-1。這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用其耦合程度694、測量轉換電路電渦流探頭與被測物之間的互感量變化可以轉換為傳感器線圈阻抗Z和品質因數Q等參數的變化。轉換電路的作用是把這些參數轉換為電壓或電流的輸出。（1）電橋電路圖3-41電橋電路原理圖4、測量轉換電路電渦流探頭與被測物之間的互感量變化可以轉換為70電橋電路中線圈L1、L2為傳感器線圈，它們與電容C1、C2，電阻R1、R2組成電橋的四個臂。振蕩器提供電源，振蕩頻率根據需要選擇。當線圈阻抗變化時，電橋失去平衡。不平衡輸出經線性放大和檢波，得到輸出。電橋電路中線圈L1、L2為傳感器線圈，它們與電容C1、C2，71圖3-42高頻調幅式測量轉換電路調幅式是以輸出高頻信號的幅度來反映電渦流探頭與被測導體之間的關系。圖3-42是高頻調幅式電路。（2）調幅式電路圖3-42高頻調幅式測量轉換電路調幅式是以輸出高頻信號72石英晶體振蕩器通過耦合電阻R，向由探頭線圈和一個微調電容C0組成的并聯諧振回路提供一個穩幅的高頻激勵信號，相當于一個恒流源。測量時，先調節C0，使LC0的諧振頻率等于石英晶體振蕩器的頻率f0，此時諧振回路的Q值和阻抗Z也最大，恒定電流Ii在LC0并聯諧振回路上的壓降U0也最大。石英晶體振蕩器通過耦合電阻R，向由探頭線圈和一個微調電容C073當被測體為非磁性金屬時，物體接近探頭時，由于渦流效應，線圈的等效電感L減小，并引起線圈品質因數Q值的下降，并聯諧振回路諧振頻率不再等于石英晶振的頻率而發生失諧狀態，使輸出電壓U0大大降低。當被測體為磁性金屬時，探頭線圈的電感量略為增大，但由于被測磁性金屬體的磁滯損耗，使探頭線圈的Q值也大大下降，輸出電壓U0也降低。在以上兩種情況下，被測體與探頭的間距越小，輸出電壓就越低。經高頻放大、檢波、低放之后，輸出的直流電壓反映了被測物的位移量。以上幾種情況見圖3-42-1當被測體為非磁性金屬時，物體接近探頭時，由于渦流效應，線圈的74圖3-42-1定頻調幅式的諧振曲線0-探頭與被測物間距很遠時1-非磁性金屬與探頭間距較小時2-非磁性金屬、間距與探頭線圈直徑相等時3-磁性金屬、間距較小時圖3-42-1定頻調幅式的諧振曲線0-探頭與被測物間距很75（3）調頻式電路所謂調頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調電容C0構成LC振蕩器，以振蕩器的頻率f作為輸出量。此頻率可通過f/V轉換器（又稱鑒頻器）轉換成電壓，由表頭顯示。也可以直接將頻率信號（TTL）信號送到計算機的計數定時器，測出頻率。如圖3-43.圖3-43調頻式測量轉換電路原理圖（3）調頻式電路所謂調頻式就是將探頭線圈的電感量L與微調電容76并聯諧振回路的諧振頻率為并聯諧振回路的諧振頻率為77當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電感量L隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率改變，此頻率可直接用計算機測量。用模擬儀表顯示，必須用鑒頻器，將頻率f轉換為電壓U。5、電渦流傳感器的應用（1）位移測量

某些旋轉機械，如高速旋轉的汽輪機對軸向位移的要求很高。當汽輪機運行時，葉片在高壓蒸氣推動下高速旋轉，它的主軸承受巨大的軸向推力。若主軸的位移超過規定值時，葉片有可能與其他部件碰撞而斷裂。利用電渦流原理可以測量汽輪機主軸的軸向位移、電動機軸向竄動等。電渦流軸向位移監測保護裝置電渦流探頭的安裝如圖4—44所示。當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電感量L隨之改變，引起L78圖3-44軸向位移的監測1-旋轉設備（汽輪機）2-主軸3-軸聯器4-電渦流探頭5-發電機6-基座7-夾緊螺母圖3-44軸向位移的監測1-旋轉設備（汽輪機）2-主軸79在設備停機時，將探頭安裝在與聯軸器端面2mm距離的機座上，調節二次儀表使示值為零。當汽輪機啟動后，長期監測其軸向位移量。可以發現，由于軸向推力和軸承的磨損而使探頭與聯軸器端面的間隙減小，二次儀表的輸出電壓從零開始增大。可調整二次儀表面板上的報警設定值，使位移量達到危險值時，二次儀表發出報警信號或發出停機信號以避免事故發生。上述測量屬于動態測量。在設備停機時，將探頭安裝在與聯軸器端面2mm距離的機座上，調80（2）振動測量

電渦流式傳感器可以無接觸地測量各種振動的振幅、頻譜分布等參數。在研究機器振動時，常常采用多個傳感器放置在機器不同部位進行檢測，得到各個位置的振幅值和相位值，從而畫出振型圖，測量方法如圖4—45所示。（2）振動測量電渦流式傳感器可以無接觸地測量各種振動的振幅81圖4-45振幅測量（b）長軸多線圈測量（a）徑向振動測量圖4-45振幅測量（b）長軸多線圈測量（a）徑向振動測量82（c）葉片振動測量（c）葉片振動測量83（3）轉速測量若旋轉體上已開有一條或數條槽或做成齒狀，則可在旁邊安裝一個電渦流式傳感器，如圖4—46所示。當轉軸轉動時，傳感器周期地改變著與旋轉體表面之間的距離。于是它的輸出電壓也周期性地發生變化，此脈沖電壓信號經放大、變換后，可以用頻率計測出其變化的重復頻率，從而測出轉軸的轉速，若轉軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數為f(單位為Hz)，轉速按下式求得：3-46（3）轉速測量若旋轉體上已開有一條或數條槽或做成齒狀，則可84圖3-46轉速測量(a)帶凹槽轉軸(b)帶凸槽轉軸圖3-46轉速測量(a)帶凹槽轉軸(b)帶凸槽轉85（4）安全檢測圖3-47電渦流式通道安全檢查門簡圖（4）安全檢測圖3-47電渦流式通道安全檢查門簡圖86圖3-48電渦流式通道安全檢查門電路原理框圖圖3-48電渦流式通道安全檢查門電路原理框圖87安全門原理：L11、L12為發射線圈，L21、L22為接收線圈，密封在門框內。晶振產生的音頻信號通過L11、L12在線圈周圍產生同頻率的交變磁場。因為L11、L12與L21、L22相互垂直，成電氣正交狀態，無磁路交鏈，U0=0。當有金屬物體通過L11、L12形成的交變磁場H1時，交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流。電渦流也將產生一個新的微弱磁場H2，但與L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感應出電壓。計算機根據感應電壓的大小確定金屬物體的大小。

通常配置x光掃描儀進行成像掃描。更嚴格的用弱能量的中子發射管和質譜儀來檢測密封的箱包中的爆炸物等化學物品。

安全門原理：L11、L12為發射線圈，L21、L22為接收線88（5）表面探傷（7）探雷（4）鍍層厚度測量圖3-49輸油管表面裂紋檢測（5）表面探傷（7）探雷（4）鍍層厚度測量圖3-49輸油89

利用電渦流傳感器可以檢查金屬表面(已涂防銹漆)的裂紋以及焊接處的缺陷等。檢測過程中，傳感器與被測導體保持距離不變。由于缺陷將引起導體電導率、磁導率的變化，使電渦流變小，從而引起輸出電壓突變。圖3-49是用電渦流探頭檢測高壓輸油管表面裂紋的示意圖。兩只導向輥以相同的方向旋轉，油管在它們的驅動下，勻速地在楔形電渦流探頭下方轉動，并向前挪動。探頭對油管表面逐點掃描，得到圖3-50的輸出信號。當油管存在裂紋時，電渦流所走的路程大為增加(見圖3-49b)，所以電渦流突然減小，輸出波形如圖3-50中的“尖峰”所示。該信號十分紊亂，用肉眼很難分辨出缺陷性質。將該信號通過帶通濾波器，濾去表面不平整、抖動等因素造成的異常輸出后，得到圖3-50b中的兩個尖峰信號。調節電壓比較器的閾值電壓，得到真正的缺陷信號。利用電渦流傳感器可以檢查金屬表面(已涂防銹漆)的裂紋以及90圖3-50探傷輸出信號圖3-50探傷輸出信號91圖3-51金屬鍍層厚度檢測

（6）金屬鍍層厚度檢測圖3-51金屬鍍層厚度檢測（6）金屬鍍層厚度檢測92用電渦流原理可以測量塑料表面金屬鍍層的厚度，以及印刷電路版銅箔的厚度等。如圖3-51所示。由于存在集膚效應，鍍層越簿，電渦流越小。根據輸出的電壓大小確定厚度。事先需用電渦流儀對標準厚度的鍍層作出“厚度-輸出”電壓

的標定曲線來對照。（7）探雷用電渦流原理可以測量塑料表面金屬鍍層的厚度，以及印刷電路版銅93（8）接近開關簡介接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發出“動作”信號，而不象機械式行程開關那樣，需要施加機械力。它給出的是開關信號(高電平或低電平)，多數接近開關具有較大的負載能力，能直接驅動中間繼電器。（8）接近開關簡介接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距94接近開關的核心部分是“感辨頭”，它必須對正在接近的物體有很高的感辨能力。在生物界里，眼鏡蛇的尾部能感辨出人體發出的紅外線。而電渦流探頭就能感辨金屬導體的靠近。接近開關可以用于高速計數、測速，確定金屬物體的存在和位置，測量物位和液位，用于人體保護和防盜以及無觸點按鈕等。接近開關的定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和耐磨性、耐腐蝕性等也是一般機械式行程開關所不能相比的。接近開關的核心部分是“感辨頭”，它必須對正在接近的物體有很高95接近開關的外形如圖3-52和3-53所示，可根據不同的用途選擇不同的型號。圖中a）便于調整與被測物的間距，b）、c）可用于板材的檢測，d）、e）可用于線材的檢測。圖3-52接近開關的結構形式一a)圓柱形b)平面安裝型接近開關的外形如圖3-52和3-53所示，可根據不同的用途選96圖3-53接近開關的結構形式二d)方形e)貫穿形圖3-53接近開關的結構形式二d)方形e)貫穿形97接近開關的特點

與機械開關相比，接近開關具有如下特點：①非接觸檢測，不影響被測物的運行工況；②不產生機械磨損和疲勞損傷，工作壽命長；③響應快，一般響應時間可達幾毫秒或十幾毫秒；④采用全密封結構，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強；⑤無觸點、無火花、無噪聲，所以適用于要求防爆的場合(防爆型)；⑥輸出信號大，易于與計算機或可編程控制器(PLC)等接口；⑦體積小，安裝、調整方便。缺點:觸點容量較小，輸出短路時易燒毀。接近開關的特點98接近開關的主要特性

1．額定動作距離在規定的條件下所測定到的接近開關的動作距離(mm)；2．工作距離接近開關在實際使用中被設定的安裝距離。在此距離內，接近開關不應受溫度變化、電源波動等外界干擾而產生誤動作；接近開關的主要特性99

3．動作滯差指動作距離與復位距離之差的絕對值。滯差大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就強；滯差特性3．動作滯差滯差特性1004．重復定位精度(重復性)它表征多次測量動作距離。其數值的離散性的大小一般為動作距離的1％～5％。離散性越小，重復定位精度越高。5．動作頻率指每秒連續不斷地進入接近開關的動作距離后又離開的被測物個數或次數。若接近開關的動作頻率太低而被測物又運動得太快時，接近開關就來不及響應物體的運動狀態，有可能造成漏檢。4．重復定位精度(重復性)101接近開關的規格及接線方式圖3-54所示是接近開關的一種典型的三線制接線方式。圖3-54三線制接近開關接近開關的規格及接線方式圖3-54所示是接近開關的一種典型的102圖3-55