电涡流式传感器是基于电涡流效应而工作的传感器。其中高频反射型电涡流式传感器应用较为广泛。这种现象称为电涡流效应。目前已研制和生产出多种用于测量位移、振幅、厚度、电导率和探伤的电涡流式检测仪表。在化工、动力等行业，电涡流式传感器被广泛用于汽轮机、压缩机、发电机等大型机械的监控设备。原则上，凡是可以转换为位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量。......
2023-06-22
电涡流传感器的工作原理及应用
【摘要】：电涡流传感器的传感元件是一个线圈，又称为电涡流探头。因而，在电涡流传感器的使用中，必须考虑被测体的材料和几何形状、尺寸等因素对被测量的影响。一般涡流传感器，涡流影响范围约为传感器线圈直径的3倍。在检测领域，电涡流传感器的用途就更多了。图3－22探雷下面介绍电涡流传感器的几种典型应用，如位移测量、振动测量、转速测量、电涡流表面探伤。
在电工学中，我们学过有关电涡流的知识。当导体处于交变的磁场中时，铁芯会因为电磁感应而在内部产生自行封闭的电涡流而发热。变压器和交流电动机的铁芯都是用硅钢片叠制而成，就是为了减小电涡流，避免发热。但人们也能利用电涡流做有用的工作，如电磁灶、中频炉、高频淬火等都是利用电涡流原理而工作的。
（1）电涡流传感器定义及分类
基于法拉第感应现象，置金属导体于交变的磁场中时，导体表面会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。因此，要形成涡流必须具备以下两个条件：
①存在交变磁场；
②导电体处于交变磁场中。
电涡流传感器的传感元件是一个线圈，又称为电涡流探头。电涡流探头结构如图3－19所示，实物如图3－20所示。随着电子技术的发展，现在已能将测量转换电路安装到探头的外壳体中，它具有输出信号大，不受输出电缆分布电容影响等优点。
图3－19 电涡流探头结构
1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；4—印制线路板；5—夹持螺母；6—电源指示灯；7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器分为高频反射式与低频透射式两大类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、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，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。
图3－19 电涡流探头结构
1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；4—印制线路板；5—夹持螺母；6—电源指示灯；7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器分为高频反射式与低频透射式两大类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、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，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。
图3－20 电涡流探头实物
图3－20 电涡流探头实物
如何正确使用电涡流传感器
电涡流传感器与被测金属体之间是磁性耦合的，并利用这种耦合程度的变化作为测试值，因此，电涡流传感器完整地看应是传感器的线圈加上被测金属导体。因而，在电涡流传感器的使用中，必须考虑被测体的材料和几何形状、尺寸等因素对被测量的影响。
1）被测材料对测量的影响
被测体的电导率越高，其灵敏度也越高，但被测体为磁性体时，导磁率效果与涡流损耗效果呈相反作用，因此与非磁性体相比，灵敏度低。所以被测体在加工过程中遗留下来的剩磁需要进行消磁处理。
2）被测体几何形状和大小对测量的影响
为了充分有效地利用电涡流效应，被测体的半径应大于线圈半径，否则将致使灵敏度降低。一般涡流传感器，涡流影响范围约为传感器线圈直径的3倍。
被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要有0.2 mm以上的厚度，则测量不受影响。
（2）电涡流传感器应用
电涡流传感器由于它具有结构简单、灵敏度高、线性范围大、频率响应范围宽、抗干扰能力强等优点，并能进行非接触测量，在科学领域和工业生产中得到广泛使用。在检测领域，电涡流传感器的用途就更多了。它可以用来探测金属（如图3－21、图3－22所示的安全检测、探雷）、非接触地测量微小位移和振动以及测量工件尺寸、转速、表面温度等诸多与电涡流有关的参量，还可以作为接近开关和进行无损探伤。它的最大特点是非接触测量，它是检测技术中用途十分广泛的一种传感器。
如何正确使用电涡流传感器
电涡流传感器与被测金属体之间是磁性耦合的，并利用这种耦合程度的变化作为测试值，因此，电涡流传感器完整地看应是传感器的线圈加上被测金属导体。因而，在电涡流传感器的使用中，必须考虑被测体的材料和几何形状、尺寸等因素对被测量的影响。
1）被测材料对测量的影响
被测体的电导率越高，其灵敏度也越高，但被测体为磁性体时，导磁率效果与涡流损耗效果呈相反作用，因此与非磁性体相比，灵敏度低。所以被测体在加工过程中遗留下来的剩磁需要进行消磁处理。
2）被测体几何形状和大小对测量的影响
为了充分有效地利用电涡流效应，被测体的半径应大于线圈半径，否则将致使灵敏度降低。一般涡流传感器，涡流影响范围约为传感器线圈直径的3倍。
被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要有0.2 mm以上的厚度，则测量不受影响。
（2）电涡流传感器应用
电涡流传感器由于它具有结构简单、灵敏度高、线性范围大、频率响应范围宽、抗干扰能力强等优点，并能进行非接触测量，在科学领域和工业生产中得到广泛使用。在检测领域，电涡流传感器的用途就更多了。它可以用来探测金属（如图3－21、图3－22所示的安全检测、探雷）、非接触地测量微小位移和振动以及测量工件尺寸、转速、表面温度等诸多与电涡流有关的参量，还可以作为接近开关和进行无损探伤。它的最大特点是非接触测量，它是检测技术中用途十分广泛的一种传感器。
图3－21 安全检测
图3－21 安全检测
图3－22 探雷
下面介绍电涡流传感器的几种典型应用，如位移测量、振动测量、转速测量、电涡流表面探伤。
1）位移和振动测量
在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移外，还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状。图3－23～图3－26是各种测量应用。
图3－22 探雷
下面介绍电涡流传感器的几种典型应用，如位移测量、振动测量、转速测量、电涡流表面探伤。
1）位移和振动测量
在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移外，还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状。图3－23～图3－26是各种测量应用。
图3－23 轴向位移测量
图3－23 轴向位移测量
图3－24 振动测量
1—被测体；2—电涡流式传感器
图3－24 振动测量
1—被测体；2—电涡流式传感器
图3－25 胀差测量
1—机壳；2—轴
图3－25 胀差测量
1—机壳；2—轴
图3－26 斜坡式胀差测量
2）转速测量
在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速，如图3－27所示。
图3－26 斜坡式胀差测量
2）转速测量
在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速，如图3－27所示。
图3－27 转速测量
（a）带有凹槽的转轴；（b）带有凸槽的转轴
1—传感器；2—被测物
3）电涡流表面探伤测量
保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和磁导率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位，如图3－28所示。
图3－27 转速测量
（a）带有凹槽的转轴；（b）带有凸槽的转轴
1—传感器；2—被测物
3）电涡流表面探伤测量
保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和磁导率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位，如图3－28所示。
图3－28 探伤测量
1—裂纹；2—被测体；3—电涡流式传感器
此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。
电涡流传感器还可用作接近传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式硬度计，如图3－29所示。
图3－28 探伤测量
1—裂纹；2—被测体；3—电涡流式传感器
此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。
电涡流传感器还可用作接近传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式硬度计，如图3－29所示。
图3－29 厚度测量
1—非导体；2—导体
图3－29 厚度测量
1—非导体；2—导体
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