收稿日期：2006-09-08? 　　作者簡(jiǎn)介：羅靜萍（1944－），女，湖南湘潭人，武漢科技大學(xué)中南分校信息工程學(xué)院副教授。? 　�。ㄎ錆h科技大學(xué)中南分校 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）??
　　
　　摘要：以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，以基爾霍夫定律為工具，分析電渦流傳感器的工作原理，得出相關(guān)結(jié)論。同時(shí)采用電子線路實(shí)現(xiàn)其參數(shù)轉(zhuǎn)換，使之成為實(shí)用的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀表。?
　　關(guān)鍵詞：電渦流；傳感器；基爾霍夫定律；穩(wěn)頻調(diào)幅式電子測(cè)量???
　　
　　1 引言?
　　電渦流由加貝(Gambey)在1824年的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。在擺動(dòng)的磁鐵下方放一塊銅塊，磁鐵的擺動(dòng)將會(huì)很快停止，從而指出了電渦流的存在。幾年后，付科(Foucault)又證實(shí)了：在強(qiáng)的不均勻磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的銅盤中有電流存在。1831年，法拉第(Faraday)總結(jié)出電磁感應(yīng)定律，成為解釋渦流試驗(yàn)基本原理的重要依據(jù)。電渦流的實(shí)際應(yīng)用始于1879年，到上世紀(jì)中葉，生產(chǎn)出了電渦流傳感器及檢測(cè)儀表，至今逐步形成了各種形式和用途的系列化電渦流檢測(cè)儀表。?
　　電渦流檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、不受油污介質(zhì)的影響、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。典型應(yīng)用場(chǎng)合為火電廠汽輪機(jī)的軸向位移、振動(dòng)、主軸偏心度測(cè)量，還可以用于測(cè)量壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電導(dǎo)率、厚度和間隙等參數(shù)，以及探測(cè)金屬材料表面的缺陷和裂紋。?
　　本文以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，以基爾霍夫定律為工具，分析電渦流傳感器的工作原理，得出影響其性能的有關(guān)結(jié)論。同時(shí)給出采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)其參數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，使之成為能付諸實(shí)用的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀表。因此本文對(duì)于教學(xué)也不失為一個(gè)很好的綜合性范例。?
　　2 電渦流傳感器工作原理分析?
　　電渦流傳感器主要由一個(gè)扁平線圈構(gòu)成。圖1為電渦流傳感器原理圖，在離線圈（電渦流傳感器）1某一距離d（可變）處有一塊金屬板導(dǎo)體（被測(cè)體）2。當(dāng)線圈中通以頻率為?ω的高頻交變電流i1時(shí)，線圈周圍便產(chǎn)生一高頻交變的磁場(chǎng)Φ1。在此磁場(chǎng)范圍的金屬板內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流i2，由于這種電流在導(dǎo)體內(nèi)呈閉合旋渦形狀，故稱之為渦流。同時(shí)，此電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)Φ2。根據(jù)有關(guān)電磁定律，電渦流磁場(chǎng)總是抵抗原磁場(chǎng)的存在，使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流損耗，并引起原邊線圈的等效電感L、等效阻抗Z和品質(zhì)因素Q降低。?
　　
　　電感量L的變化大小與線圈的外形尺寸r、被測(cè)距離d、金屬體材料的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)電流i及激勵(lì)電流角頻率ω等因素有關(guān)，即
　　
　　對(duì)指定的傳感器探頭，若金屬導(dǎo)體為某一均質(zhì)材料，激勵(lì)電流是穩(wěn)頻穩(wěn)幅的，則r,ρ,μ,ω，i均為定值，L僅與被測(cè)距離d有關(guān)，即等效電感L的變化可近似認(rèn)為是距離d變化的單值函數(shù)。?
　　事實(shí)上，金屬導(dǎo)體內(nèi)的渦流難以直接測(cè)量，但渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)原激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，使原邊線圈的等效電感L、等效阻抗Z和品質(zhì)因素Q發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)量L、Z、Q的變化量來(lái)測(cè)量位移，這就是電渦流傳感器的基本原理。?
　　
　　3 等效電路分析方法?
　　
　　對(duì)電渦流傳感器可采用等效電路方法分析，如圖2所示。設(shè)：?R1和L1為傳感器線圈的電阻和電感，R2和L2為被測(cè)導(dǎo)體的等效損耗電阻和電感，e為激勵(lì)電壓，M為互感系數(shù)。d減小，則M增大。由基爾霍夫定律可列出圖2的方程組?
　　
　　反映兩個(gè)線圈耦合的松緊程度，它與兩個(gè)線圈的相互位置和方向有關(guān)。當(dāng)兩個(gè)線圈的軸線一致時(shí)，線圈靠得越近，耦合得越緊，互感系數(shù)M值越大，耦合系數(shù)k也隨之增大。?
　　
　　4 影響電渦流傳感器的基本因素分析?
　　
　　根據(jù)以上各式，我們可分析出影響電渦流傳感器的因素。這里以阻抗公式（2）為例。?
　　若采用高頻振蕩源，則ωL2＞＞R2，2）式可近似為
　　
　　由此我們得出如下結(jié)論：??
　　(1)阻抗Z受耦合系數(shù)k影響較大，但k主要與其探頭和金屬導(dǎo)體的距離d有關(guān)。
　　(2)探頭內(nèi)阻R1、金屬導(dǎo)體的內(nèi)阻R2和電感L2對(duì)阻抗變化的影響較小。
　　(3)增加探頭的電感L1與提高振蕩頻率ω有利于測(cè)量阻抗。?
　　以上是從電渦流損耗時(shí)對(duì)阻抗Z引起的變化，來(lái)討論電渦流傳感器的各種影響因素。還可根據(jù)式（5）從回路品質(zhì)因素Q的角度，或者根據(jù)式（4）從線圈電感變化的角度出發(fā)進(jìn)行討論。?
　　
　　5 電渦流測(cè)量的電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法?
　　
　　 根據(jù)上述分析，電渦流傳感器線圈與金屬導(dǎo)體間的距離d的變化,可以變換為線圈的品質(zhì)因素Q、等效電感L、等效阻抗Z三個(gè)參量的變化。接下來(lái)的工作是要采用適當(dāng)?shù)碾娮泳�路，將位移信號(hào)變換為電壓或頻率信號(hào)。
　　按照測(cè)量電路的工作原理，我們討論一種穩(wěn)頻調(diào)幅式檢測(cè)轉(zhuǎn)換方法，如圖4所示。?
　　
　　石英晶體振蕩器為測(cè)量電路提供一個(gè)穩(wěn)頻穩(wěn)幅的高頻正弦波信號(hào)，以激勵(lì)由傳感器線圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振回路。當(dāng)傳感器處于非測(cè)量狀態(tài)時(shí)，LC回路的固有振蕩頻率等于石英晶體振蕩器輸出的頻率，產(chǎn)生諧振，LC回路的阻抗最大，因?yàn)長(zhǎng)C回路與電阻R實(shí)際上組成了一個(gè)分壓電路，因而輸出電壓uo亦為最大。當(dāng)被測(cè)體接近傳感器時(shí)，傳感器線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于被測(cè)體，由于被測(cè)金屬板表面的渦流反射作用，使線圈L值降低，導(dǎo)致回路失諧，傳感器的等效阻抗隨被測(cè)距離d的減小而減小，輸出電壓也隨之減小。?
　　可見(jiàn)，阻抗的變化是距離d的單值函數(shù)，而輸出電壓uo又是阻抗Z的單值函數(shù)，這樣，就將位移d的變化量轉(zhuǎn)換成電壓u0的變化量，即u0＝f(d)。?
　　交流輸出電壓u0在前置放大器中進(jìn)行高頻交流放大、檢波、濾波等環(huán)節(jié)處理后轉(zhuǎn)換成直流電壓U0輸出，供指示、記錄、報(bào)警和保護(hù)使用。由于這種測(cè)量方法載波頻率不變，輸出電壓幅值變化，故稱為穩(wěn)頻調(diào)幅法。?
　　得到的直流輸出電壓U0與位移的關(guān)系如圖4所示，它是一條非線性曲線。當(dāng)位移在線性區(qū)內(nèi)，電渦流傳感器測(cè)量電路輸出的直流電壓信號(hào)值與被測(cè)位移量或振動(dòng)幅值成正比。將線性區(qū)作為電渦流傳感器的工作區(qū)，據(jù)此可形成具有實(shí)用價(jià)值的電渦流傳感器檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀表。?
　　
　　參考文獻(xiàn)
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