电涡流传感器工作原理图_电涡流传感器工作原理

传感器有很多种，我们有很多选择。许多高性能传感器，如电感式涡流传感器，广泛应用于各行各业。特别是在机床行业、汽车制造等行业中应用广泛，是国内外公认的具有发展前景的高新技术产业。

涡流传感器的工作原理

涡流作用

涡流传感器是根据涡流效应工作的，即把金属导体置于变化的磁场中产生感应电流，从而在金属体内形成自闭的涡流线。这种现象被称为涡流效应。

涡流传感器的结构和特点

传感元件：涡流探头

涡流探头是固定在框架上的扁平线圈，激励源频率高(几十千赫兹到几兆赫)。

传感器探头中有一个小线圈，由控制器控制产生振荡电磁场。当接近被测物体时，被测物体表面会产生感应电流，产生反向电磁场。此时，涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测物体的距离。注意：涡流传感器要求被测物体必须是导体。

1-涡流线圈2-探头外壳3-外壳上的位置调节螺纹

4—印刷电路板5—夹紧螺母6—电源指示灯

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆9—电缆插头

电涡流位移传感器测量技术的历史

弗朗索瓦阿拉戈(1786-1853)，法国第25任总统，数学家、物理学家和天文学家，首先发现了涡流现象。1824年，他首次发现并命名了旋转磁场，大部分导体都可以被磁化。他的发现后来被迈克尔法拉第(1791-1867)整理并最终完善。

1834年海因里希楞次发表楞次定律，感应电流有这样一个方向，即感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

1855年，法国物理学家L Lon Foucault (1819-1868)发现，在两级磁场中间，旋转一个铜盘所需的力更大，同时，铜盘被内部感应的涡流加热。

1879年，大卫e休斯(David E. Hughes)率先采用涡流技术进行非接触式测量，用于分选金属物体。

1980年，德国Miiridium公司率先将电涡流位移传感器用于工业生产。

1988年，德国Miiridium公司发布了世界上最小的电涡流位移传感器，使电涡流原理可以在安装空间有限的情况下获得准确的测量数据。

涡流传感器的优势

1、电涡流传感器是一种非接触式线性测量工具，可以在静态和动态下测量被测金属导体与探头表面之间的距离，具有高线性度和高分辨率。在测量过程中，电涡流传感器的测量精度会受到一定的影响。

2、当传感器的特性与被测物体的电导率有关时，涡流效应和磁效应并存，磁效应反作用于涡流效应，使涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。但是，当被测物体是弱磁导率材料(如铜、铝、合金钢等)时。)，由于弱磁效应和相对较强的涡流效应，传感器具有较高的灵敏度。

3、被测物体表面不规则会给实际测量带来额外的误差，所以被测物体表面应平整光滑，不能有凹凸、孔洞、刻痕、沟槽等缺陷。一般来说，振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um-0.8um之间；对于位移测量，要求测量的表面粗糙度在0.4 um和1.6 um之间。

4、涡流效应主要集中在被测物体表面。如果在加工过程中形成剩磁效应，淬火不均匀、硬度、金相组织、晶体结构都会影响传感器特性。在振动测量中，如果被测物体表面的剩磁效应过大，测量波形就会失真。

涡流传感器的分类

根据深入调查

高频反射式涡流传感器

高频(1 MHz)励磁电流产生高频磁场作用于金属板表面，由于趋肤效应会在金属板表面形成涡流。同时涡流产生的交变磁场作用在线圈上，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，这种变化与距离、金属板的电阻率、磁导率、励磁电流I、角频率等有关。如果只改变距离，其他系数不变，则位移的变化可以转化为线圈自感的变化，通过测量电路可以转化为电压输出。高频反射式涡流传感器主要用于位移测量。

低频传输涡流传感器

低频透射式涡流传感器常用于测量材料的厚度。发射线圈W1和接收线圈W2分别放置在被测材料G的上方和下方。在线圈W1两端施加低频电压e1后，在周围空间产生交变磁场，在被测物质g中产生涡电流I，这个涡电流消耗了一部分能量，减少了通过W2的磁力线，从而降低了W2产生的感应电势e2。e2的大小与g的厚度和材料性质有关，实验表明，e2随材料厚度H的增加呈负指数关系减小。因此，可以根据e2的变化来测量材料的厚度。

涡流传感器的测量电路

用电涡流转换器测量时，为了获得强涡流效应，励磁线圈通常工作在较高的频率，所以信号转换电路主要有两种：调幅电路和调频电路。

调幅电路

调频电路

当涡流线圈与被测物体之间的距离x发生变化时，涡流线圈的电感L也发生变化，引起LC振荡器的输出频率发生变化，这可以用计算机直接测量出来。

涡流传感器的应用

电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金和一些科研单位。汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空压机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、相位器、轴速、胀差、偏心率、转子动力学研究和零件尺寸检验的在线测量和保护。

1、在工业设备中的应用

轴向位移测量

用于许多旋转机械，包括汽轮机、燃气轮机、水轮机、离心式和轴流式压缩机、离心泵等。轴向位移是一个很重要的信号，过大的轴向位移会造成过大的机构损坏。轴向位移的测量可以指示旋转部件和固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时位移变化，以防止机器损坏。

轴向位移是指机器内部的转子是沿着轴线方向，相对于推力轴承与推力轴承之间的间隙。一些机械故障也可以通过检测轴向位移来识别1、推力轴承磨损失效；2、平衡活塞磨损和失效；3、松动的推力法兰；4、联轴器等的锁定。

轴向位移(轴向间隙)的测量经常与轴向振动混淆。轴向振动是指传感器探头表面与被测物体之间的距离沿轴向快速变化，属于轴向振动的一种，用峰值表示。与平均差距无关。有些故障会引起轴向振动。例如，压缩机的反冲振动和不对中。

振动测量

测量径向振动时，可以看到轴承的工作状态和转子的不平衡，不适合中度机械故障。它可以为监测以下关键或基本机械的机械状况提供必要的信息1、工业汽轮机、蒸汽/燃气轮机；2、压缩机，空气/特殊用途气体，径向/轴向；3、扩展器；4、发电汽轮机、蒸汽/燃气/水利；5、电动机和发电机；6、励磁机；7、变速箱；8、泵；9、风扇、鼓风机；10、往复式机械。

颤音

4、滚动零件轴承故障、径向预载荷、内部/外部不对中；

5、轴承巴氏合金磨损，轴承间隙过大，径向/轴向；

6、平衡(节流)活塞磨损/失效，联轴器“锁死”；

7、轴弯曲和轴裂纹；

8、电动机与齿轮啮合的气隙不均匀；

9、涡轮叶片通道共振和叶轮通过现象。

偏心测量

偏心是指涡流传感器系统可以在低速下测量轴弯曲的程度，这可能是由以下情况引起的：

1、原始机械弯曲在静止状态下由于温度暂时升高而引起的弯曲，必然有一些向下的弯曲，有时称为重力弯曲和外力引起的弯曲。

2、偏心测量对于评价旋转机械的整体机械状态非常重要。特别是对于装有汽轮机监控仪表系统(TSI)的汽轮机，偏心测量已成为启动或停机时必不可少的测量项目。它使您能够看到由热量或重力引起的轴弯曲程度。转子的偏心位置，也称为轴的径向位置，通常用于指示轴承的磨损和负载的大小。例如由不对中引起的，它也用于确定轴的方位角，这可以指示转子是否稳定。

膨胀差测量

对于汽轮发电机组来说，由于金属材料不同，热膨胀系数不同，散热不同，轴的热膨胀可能超过外壳的膨胀。它可能导致旋转部件和静止部件(如外壳、喷嘴、底座等)之间的相互接触。)的涡轮，导致机器的毁坏。因此，胀差的测量非常重要。

速度测量

对于所有的旋转机械，都需要监测旋转机械轴的转速，这是衡量机器正常运转的一个重要指标。电涡流传感器在测量转速方面的优势是其他任何传感器都无法比拟的。零转速和高转速都可以响应，抗干扰性能也很强。

旋转测量通常有以下几种传感器可供选择：电涡流速度传感器、无源磁电式速度传感器、有源磁电式速度传感器等。需要选择的传感器类型取决于转速测量所需的转速等。(转速产生装置有以下几种：用标准渐开直线齿数(M1 ~ M5)作为转速产生信号，在转轴上开键槽，在转轴上钻孔，在转轴上凸键等。

电机换向器滚动轴承和换向片的动态监测

这对于使用滚动轴承的机器的预测性维护非常重要。探头安装在轴承箱内，用于观察轴承外圈。当轴承转动，滚动体与轴承有缺陷的部分发生碰撞时，外圈会发生轻微变形。监控系统可以监控该变形信号。当信号变形时，说明有故障，比如滚动体的裂纹缺陷，或者轴承套圈的缺陷。还可以测量轴承内圈的运行状态，通过计算可以测出轴承的打滑程度。

2、涡流传感器在硬币识别系统中的应用

随着自动投币机的广泛使用，社会上的一些不法分子应该是故意研究现有硬币的形状和材质，制造出可以与真币相混淆的假币。这些假币流入市场后，自动投币机无法正常工作，给相关部门造成经济损失。

我国硬币种类繁多，给硬币的防伪和鉴别带来了相当大的难度。硬币识别的主要技术问题是硬币的检测方法，核心是检测传感器的性能。

硬币识别系统的原理框图如图所示，其基本工作过程如下：当硬币通过电涡流传感器时，会在其中产生相应的涡流，信号调理和检测电路将涡流信息经过适当的变换转换成相应的数字量，进行实时分析和处理

当硬币通过投币口进入老虎机的路径时，涡流传感器利用磁路中磁阻的变化，在置于其中的导体中产生电流。这种电流的流线是封闭在金属导体中的(所以叫涡流，或涡流)。

这种电流还会产生交变磁场，阻碍外界磁场的变化。从能量上看，由于被测导体中的涡流损耗也会产生电磁效应，不仅会产生焦耳热，还会产生磁滞损耗，造成交变磁场能量的损失。由于数值的原因，这些能量的损失将改变传感器的等效电抗、等效电感和质量。

如果传感器和被测导体之间的距离保持不变，则传感器的输出参数将是被测导体材料的电导率和磁导率的函数。当线圈与金属导体之间的距离固定时，传感器输出信号的频率只与磁场中金属导体材料的固有性质有关，即信号频率受线圈电感的影响。

当硬币靠近线圈时，电感会发生变化，正弦波频率也会相应变化。因此，信号频率的变化反映了硬币的材质特性，所以我们可以通过测量传感器信号的频率来获得辨别真假和币值的依据。这种关系可以用来测量金属材料的电导率、磁导率等参数。

这些参数与导体的材料和几何形状有一定的关系。找出不同金属材料和体积对系统磁场信息的影响而产生的微弱差异，通过信号调理电路对这些信号进行处理，然后通过单片机对采集到的数据进行智能分析，完成对金属硬币的识别。

3、涡流传感器在其他领域的应用

电磁炉

电磁炉是我们日常生活中必不可少的家用电器之一，电涡流传感器是其核心器件之一。高频电流通过励磁线圈产生交变磁场。铁锅底部会产生无数的涡流，使锅底自身发热，将锅内的食物煮熟。

涡流探雷器

涡流接近开关

接近开关也称为无触点行程开关。它能探测到一定距离内(几毫米到几十毫米)是否有物体靠近。

当一个物体接近设定的距离时，它可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感应头”，对接近的物体有很高的感应能力。这个接近开关只能探测金属。

随着机电一体化智能技术的发展，电涡流传感器的性能将进一步提高，其检测结果将更准确，检测距离将更远，动态检测性能将更好。因此，电涡流传感器的应用前景将更加广阔。

编辑：李倩

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