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电涡流式传感器原理
电涡流式传感器,将位移、厚度、材料损伤等非电量转换为电阻抗的变化(或电感、Q值的变化),从而进行非电量的测量。
一、工作原理
电涡流式传感器由传感器激励线圈和被测金属体组成。根据法拉第电磁感应定律,当传感器激励线圈中通过以正弦交变电流时,线圈周围将产生正选交变磁场,是位于盖磁场中的金属导体产生感应电流,该感应电流又产生新的交变磁场。新的交变磁场阻碍原磁场的变化,使得传感器线圈的等效阻抗发生变化。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z为
式中,ρ为被测体的电阻率;μ为被测体的磁导率;r为线圈与被测体的尺寸因子;f为线圈中激磁电流的频率;x为线圈与导体间的距离。
由此可见,线圈阻抗的变化*取决于被测金属的电涡流效应,分别与以上因素有关。如果只改变式中的一个参数,保持其他参数不变,传感器线圈的阻抗Z就只与该参数有关,如果测出传感器线圈阻抗的变化,就可以确定该参数。在实际应用中,通常是改变线圈与导体间的距离x,而保持其他参数不变,来实现位移和距离测量。
二、等效电路
讨论电涡流式传感器时,可以把产生电涡流的金属导体等效成一个短路环,即假设电涡流只分布在环体内。因此,电涡流式传感器的等效电路计算方法为:
由于电涡流的影响,线圈复阻抗的实部(等效电阻)增大、虚部(等效电感)减小。因此,线圈的等效品质因数下降。
电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路,因此,电涡流式传感器属于电感式(互感式)传感器。
三、测量电路
用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式,调幅式测量电路两种。
1、调频式测量电路
调频式测量电路,传感器线圈作为组成LC振荡器的电感元件,当传感器等效电感在涡流影响下因被测量变化而变化时,将导致振荡器的振荡频率发生变化,该频率可直接由数字频率计测得,或通过频率-电压变换后用数字电压表测量出对应的电压。
2、调幅式测量电路
调幅式测量电路,由传感器线圈、电容和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器相当于一个恒流源,给谐振回路提供一个频率稳定的激励电流。
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