电涡流电感式传感器（互感式）工作原理与测量电路

电涡流电感式传感器（互感式）工作原理与测量电路

本文件详细介绍了电涡流电感式传感器（互感式）的工作原理、等效电路分析及两种主要测量电路（调频式和调幅式）。电涡流电感式传感器基于电涡流效应工作，利用金属导体在交变磁场中产生感应电流（电涡流）导致线圈阻抗变化的原理，实现非接触式测量。其最大特点是对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，具有体积小、灵敏度高、频带响应宽等优点。

工作原理

电涡流电感式传感器由传感器激励线圈和被测金属体组成。当线圈中通以正弦交变电流时，产生交变磁场，使金属导体产生感应电流（电涡流），该电涡流又产生反抗原磁场的新磁场，导致线圈等效阻抗发生变化。线圈等效阻抗 $Z$ 是多个参数的函数：$Z=F(\rho ,\mu ,r,f,x)$，其中 $\rho$ 为被测体电阻率，$\mu$ 为磁导率，$r$ 为尺寸因子，$f$ 为励磁电流频率，$x$ 为线圈与导体间距离。通过变参数实验观测法，保持其他参数不变，仅改变距离 $x$，即可实现位移测量。

等效电路分析

根据电涡流在导体内的贯穿深度，传感器分为高频反射式电涡流传感器|高频反射式和低频透射式电涡流传感器|低频透射式两类。将金属导体等效为短路环，建立等效电路模型。由基尔霍夫电压定律推导出产生电涡流后线圈的等效电阻 $R_{eq}$ 和等效电感 $L_{eq}$ 的表达式。对比产生电涡流前后，线圈等效电阻增大、等效电感减小、品质因数下降。电涡流电感式传感器属于电感式传感器中的互感式类型。

测量电路

调频式测量电路

传感器线圈作为 LC 振荡器的电感元件，当距离变化引起电感量变化时，振荡器输出频率随之变化。频率信号可直接由计算机计数，或通过鉴频器转换为电压信号。

调幅式测量电路

由石英晶体振荡器提供稳频稳幅的高频激励信号，传感器线圈与微调电容组成并联谐振回路。当 LC 回路谐振频率等于激励频率时，回路阻抗最大，输出电压最大；距离变化导致电感变化，回路失谐，输出电压减小。调幅式输出电压与位移呈非线性关系，需逐点标定并用计算机线性化。