傳感器多種多樣，玲瑯滿目,，可供我們選擇的有很多,。電感渦流傳感器等眾多高性能傳感器，被大量應(yīng)用在各行各業(yè),。特別是機(jī)床行業(yè),，以及汽車制造等行業(yè)更是應(yīng)用廣泛,，是國內(nèi)外認(rèn)的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

電渦流傳感器工作原理

電渦流效應(yīng)

電渦流傳感器是根據(jù)電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的,，即利用金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中,，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而在金屬體內(nèi)形成自行閉合的電渦流線,，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng),。

電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性

傳感元件：電渦流探頭

電渦流探頭是一個(gè)固定在框架上的扁平線圈，激勵(lì)源頻率較高（數(shù)十千赫至數(shù)兆赫）,。

傳感器探頭里有小型線圈,，由控制器控制產(chǎn)生震蕩電磁場(chǎng)，當(dāng)接近被測(cè)體時(shí),，被測(cè)體表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,，而產(chǎn)生反向的電磁場(chǎng)。這時(shí)電渦流傳感器根據(jù)反向電磁場(chǎng)的強(qiáng)度來判斷與被測(cè)體之間的距離,。注意：電渦流傳感器要求被測(cè)體必須是導(dǎo)體,。

1—電渦流線圈 2—探頭殼體 3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋

4—印制線路板 5—夾持螺母 6—電源指示燈

7—閾值指示燈 8—輸出屏蔽電纜線 9—電纜插頭

電渦流位移傳感器測(cè)量技術(shù)的歷史

最先發(fā)現(xiàn)電渦流現(xiàn)象的是Franois Arago (1786–1853)，第25任法國總統(tǒng),，數(shù)學(xué)家,，物理學(xué)家和天文學(xué)家。1824年,，他先發(fā)現(xiàn)并命名旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),，以及絕大多數(shù)導(dǎo)體均可以被磁化。他的發(fā)現(xiàn)后來被Michael Faraday (1791–1867) 整理和最終完善,。

1834年,，Heinrich Lenz發(fā)布了楞次定律，感應(yīng)電流具有這樣的方向,，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化,。

法國物理學(xué)家Léon Foucault (1819–1868)于1855年發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)兩級(jí)中間,，旋轉(zhuǎn)銅制圓盤所需要的力更大,，于此同時(shí)，銅制圓盤受內(nèi)部感生電渦流的作用而發(fā)熱,。

1879年David E. Hughes先采用渦流技術(shù)進(jìn)行了非接觸測(cè)量,，用于分揀金屬被測(cè)物。

1980年,，德國米銥公司先將電渦流位移傳感器用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)檢測(cè)

1988年,，德國米銥公司發(fā)布了全球小尺寸電渦流位移傳感器，使得在安裝空間受限的情況下，也可以采用電渦流原理獲得精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù),。

電渦流傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1,、渦流傳感器是一種非接觸的線性化計(jì)量工具，能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸,、高線性度,、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。電渦流傳感器在測(cè)量過程中測(cè)量準(zhǔn)確性會(huì)受到一定的影響,。

2,、傳感器特性與被測(cè)體的電導(dǎo)率時(shí)，由于渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)同時(shí)存在,，磁效應(yīng)反作用于渦流效應(yīng),，使得渦流效應(yīng)減弱，即傳感器的靈敏度降低,。而當(dāng)被測(cè)體為弱導(dǎo)磁材料（如銅,，鋁，合金鋼等）時(shí),，由于磁效應(yīng)弱,，相對(duì)來說渦流效應(yīng)要強(qiáng)，因此傳感器感應(yīng)靈敏度要高,。

3,、不規(guī)則的被測(cè)體表面，會(huì)給實(shí)際的測(cè)量帶來附加誤差,，因此對(duì)被測(cè)體表面應(yīng)該平整光滑,，不應(yīng)存在凸起、洞眼,、刻痕,、凹槽等缺陷。一般要求,，對(duì)于振動(dòng)測(cè)量的被測(cè)表面粗糙度要求在0.4um～0.8um之間;對(duì)于位移測(cè)量被測(cè)表面粗糙度要求在0.4um～1.6um之間,。

4,、電渦流效應(yīng)主要集中在被測(cè)體表面,，如果由于加工過程中形成殘磁效應(yīng)，以及淬火不均勻,、硬度不均勻,、金相組織不均勻、結(jié)晶結(jié)構(gòu)不均勻等都會(huì)影響傳感器特性,。在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí),，如果被測(cè)體表面殘磁效應(yīng)過大，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量波形發(fā)生畸變。

電渦流傳感器的分類

按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況,此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類,但從基本工作原理上來說仍是相似的,。

高頻反射式電渦流傳感器

高頻(>lMHz)激勵(lì)電流,，產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng),，在金屬板表面將形成渦電流,。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈,，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化,，其變化與距離、金屬板的電阻率ρ,、磁導(dǎo)率μ,、激勵(lì)電流i，及角頻率ω等有關(guān),，若只改變距離δ而保持其他系數(shù)不變,，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出,。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量,。

低頻透射式電渦流傳感器

低頻透射式渦流傳感器多用于測(cè)定材料厚度。發(fā)射線圈W1和接收線圈W2分別放在被測(cè)材料G的上下,，低頻電壓e1加到線圈W1的兩端后,，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在被測(cè)材料G中產(chǎn)生渦流i,，此渦流損耗了部分能量,，使貫穿W2的磁力線減少，從而使W2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e2減小,。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān),，實(shí)驗(yàn)證明，e2隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小,。因而按e2的變化便可測(cè)得材料的厚度,。

電渦流式傳感器的測(cè)量電路

利用電渦流式變換元件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了得到較強(qiáng)的電渦流效應(yīng),，通常激磁線圈工作在較高頻率下,，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要有調(diào)幅電路和調(diào)頻電路兩種。

調(diào)幅式(AM)電路

調(diào)頻式(FM)電路

當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí),，電渦流線圈的電感量L也隨之改變,，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量,。

電渦流傳感器的應(yīng)用

電渦流傳感器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力,、石油,、化工、冶金等行業(yè)和一些科研單位,。對(duì)汽輪機(jī),、水輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī),、壓縮機(jī),、空分機(jī)、齒輪箱,、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動(dòng),、軸向位移、鍵相器,、軸轉(zhuǎn)速,、脹差、偏心,、以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測(cè)量和保護(hù),。

1、在工業(yè)設(shè)備上的應(yīng)用

軸向位移測(cè)量

對(duì)于許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械,，包括蒸汽輪機(jī),、燃汽輪機(jī)、水輪機(jī),、離心式和軸流式壓縮機(jī),、離心泵等，軸向位移是一個(gè)十分重要的信號(hào),，過大的軸向位移將會(huì)引起過大的機(jī)構(gòu)損壞,。軸向位移的測(cè)量，可以指示旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的軸向間隙或相對(duì)瞬時(shí)的位移變化,，用以防止機(jī)器的破壞,。

軸向位移是指機(jī)器內(nèi)部轉(zhuǎn)子沿軸心方向，相對(duì)于止推軸承二者之間的間隙而言,。有些機(jī)械故障,，也可通過軸向位移的探測(cè)，進(jìn)行判別：1,、止推軸承的磨損與失效,；2、平衡活塞的磨損與失效,；3,、止推法蘭的松動(dòng)；4,、 聯(lián)軸節(jié)的鎖住等,。

軸向位移（軸向間隙）的測(cè)量，經(jīng)常與軸向振動(dòng)弄混,。軸向振動(dòng)是指?jìng)鞲衅魈筋^表面與被測(cè)體,，沿軸向之間距離的快速變動(dòng)，這是一種軸的振動(dòng),，用峰峰值表示,。它與平均間隙無關(guān)。有些故障可以導(dǎo)致軸向振動(dòng),。例如壓縮機(jī)的踹振和不對(duì)中即是,。

振動(dòng)測(cè)量

測(cè)量徑向振動(dòng)，可以由它看到軸承的工作狀態(tài),，還可以看到轉(zhuǎn)子的不平衡,，不對(duì)中等機(jī)械故障?？梢蕴峁?duì)于下列關(guān)鍵或基礎(chǔ)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的信息：1,、工業(yè)透平，蒸汽/燃汽,；2,、壓縮機(jī)，空氣/特殊用途氣體,，徑向/軸向,；3、膨脹機(jī),；4,、動(dòng)力發(fā)電透平，蒸汽/燃汽/水利,；5,、電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī) ,；6,、勵(lì)磁機(jī)；7,、齒輪箱,；8、泵,；9,、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī),；10,、往復(fù)式機(jī)械,。

振動(dòng)測(cè)量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)?？蔀槿缦赂鞣N機(jī)械故障的早期判別提供了重要信息：

1,、軸的同步振動(dòng)，油膜失穩(wěn),；

2,、轉(zhuǎn)子摩擦，部件松動(dòng),；

3,、軸承套筒松動(dòng)，壓縮機(jī)踹振,；

4,、滾動(dòng)部件軸承失效，徑向預(yù)載,，內(nèi)部/外部包括不對(duì)中,；

5、軸承巴氏合金磨損,，軸承間隙過大,，徑向/軸向；

6,、平衡（阻氣）活塞磨損/失效 ,，聯(lián)軸器“鎖死”；

7,、軸彎曲,，軸裂紋；

8,、電動(dòng)馬達(dá)空氣間隙不勻,，齒輪咬合問題；

9,、透平葉片通道共振,，葉輪通過現(xiàn)象。

偏心測(cè)量

偏心是在低轉(zhuǎn)速的情況下,，電渦流傳感器系統(tǒng)可以對(duì)軸彎曲程度的測(cè)量,，這種彎曲可由下列情況引起：

1、原有的機(jī)械彎曲 ·臨時(shí)溫升導(dǎo)致的彎曲 ·在靜止?fàn)顟B(tài)下,，必然有些向下彎曲,，有時(shí)也叫重力彎曲，外力造成的彎曲,。

2,、偏心的測(cè)量,，對(duì)于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài)，是非常重要的,。特別是對(duì)于裝有透平監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)（TSI）的汽輪機(jī),，在啟動(dòng)或停機(jī)過程中,，偏心測(cè)量已成為不可少的測(cè)量項(xiàng)目,。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉(zhuǎn)子的偏心位置,，也叫軸的徑向位置,，它經(jīng)常用來指示軸承的磨損，以及加載荷的大小,。如由不對(duì)中導(dǎo)致的那種情況,，它同時(shí)也用來決定軸的方位角，方位角可以說明轉(zhuǎn)子是否穩(wěn)定,。

脹差測(cè)量

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來說,，在其啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，由于金屬材料的不同,，熱膨脹系數(shù)的不同,，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過殼體膨脹,；有可能導(dǎo)致透平機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件（如機(jī)殼,、噴嘴、臺(tái)座等）的相互接觸,，導(dǎo)致機(jī)器的破壞,。因此脹差的測(cè)量是非常重要的。

轉(zhuǎn)速測(cè)量

對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言,，都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速,，轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的優(yōu)性是其它任何傳感器測(cè)量沒法比的,，它既能響應(yīng)零轉(zhuǎn)速,，也能響應(yīng)高轉(zhuǎn)速，抗干擾性能也非常強(qiáng),。

旋轉(zhuǎn)測(cè)量通常有以下幾種傳感器可選：電渦流轉(zhuǎn)速傳感器,、無源磁電轉(zhuǎn)速傳感器、有源磁電轉(zhuǎn)速傳感器等,。具有需要選擇那類傳感器,，則要根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求轉(zhuǎn)速等，（轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置有以下幾種：用標(biāo)準(zhǔn)的漸開的線齒數(shù)（M1～M5）作轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào),，在轉(zhuǎn)軸上開一鍵槽,、在轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸上開孔眼,、在軸轉(zhuǎn)上凸鍵等轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào)裝置。

滾動(dòng)軸承,、電機(jī)換向器整流片動(dòng)態(tài)監(jiān)控

對(duì)使用滾動(dòng)軸承的機(jī)器預(yù)測(cè)性維修很重要,。探頭安裝在軸承外殼中，以便觀察軸承外環(huán),。由于滾動(dòng)元件在軸承旋轉(zhuǎn)時(shí),，滾動(dòng)元件與軸承有缺陷的地方相碰撞時(shí)，外環(huán)會(huì)產(chǎn)生微小變形,。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到這種變形信號(hào),，當(dāng)信號(hào)變形時(shí)意味著發(fā)生了故障，如滾動(dòng)元件的裂紋缺陷或者軸承環(huán)的缺陷等,，還可以測(cè)量軸承內(nèi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài),，經(jīng)過運(yùn)算可以測(cè)量軸承打滑度。

2,、電渦流傳感器在硬幣識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著自動(dòng)投幣機(jī)的廣泛使用,，社會(huì)上一些不法分子該意地研究現(xiàn)有硬幣的形態(tài)、材質(zhì),，并依此制造出能以假亂真的,，這些流入市場(chǎng)后導(dǎo)致了自動(dòng)投幣機(jī)不能正常工作，給相關(guān)部門造成經(jīng)濟(jì)損失,。

我國硬幣的種類繁多,，這給硬幣的防偽、識(shí)別帶來相當(dāng)大的難度,，硬幣識(shí)別的主要技術(shù)問題是硬幣的檢測(cè)方法,，核心是檢測(cè)傳感器性能的優(yōu)劣。

硬幣識(shí)別系統(tǒng)的原理框圖如圖所示,，其基本工作過程為：當(dāng)硬幣通過電渦流傳感器時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生相應(yīng)的電渦流,，信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路通過適當(dāng)變換，將電渦流信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量供單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理,。單片機(jī)的處理結(jié)果用于控制硬幣計(jì)數(shù)控制電路及聲光報(bào)警電路的工作,，完成對(duì)硬幣的識(shí)別任務(wù)。

由電渦流傳感器為檢測(cè)元件構(gòu)成的硬幣識(shí)別系統(tǒng),，是針對(duì)我國目前發(fā)行的1元硬幣的金屬原材料專門設(shè)計(jì)的,。

當(dāng)硬幣通過投幣入口進(jìn)入投幣機(jī)的路徑時(shí)，電渦流傳感器是利用磁路中磁阻變化,，并在置于其中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流,，這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)是閉合的(所以叫做渦流，或稱電渦流)。

此電流還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)來阻礙外磁場(chǎng)的變化,。從其能量角度來看,，因?yàn)樵诒粶y(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在電渦流損耗也會(huì)產(chǎn)生電磁效應(yīng)，因此它既會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,，又要產(chǎn)生磁滯損耗,，造成交變磁場(chǎng)能量的損失。這些能量的損耗會(huì)使傳感器的等效電抗,、等效電感和品質(zhì)因數(shù)值發(fā)生變化,。

假如使得傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間的距離保持不變，則傳感器的輸出參數(shù)將與被測(cè)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率,、磁導(dǎo)率成函數(shù)關(guān)系,。當(dāng)線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離固定,，傳感器輸出信號(hào)的頻率只與磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)有關(guān),，即信號(hào)頻率受線圈電感的影響。

當(dāng)硬幣靠近線圈時(shí),，電感將發(fā)生變化,，則正弦波頻率也必將發(fā)生相應(yīng)的變化。因此信號(hào)頻率的變化反映了硬幣的材質(zhì)特征,，所以可以通過測(cè)量傳感器信號(hào)的頻率來獲得分辨真假,、幣值的依據(jù)。利用這個(gè)關(guān)系可以用來測(cè)量金屬材料的電導(dǎo)率,、磁導(dǎo)率等參數(shù),。

這些參數(shù)與導(dǎo)體的材質(zhì)、幾何形狀等因數(shù)有著一定的關(guān)系,。找出不同金屬材質(zhì)和體積對(duì)系統(tǒng)磁場(chǎng)信息的影響大小而產(chǎn)生的微弱差異,，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將這些信號(hào)進(jìn)行處理，之后通過單片微型計(jì)算機(jī)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的智能分析,，就能完成對(duì)金屬硬幣的識(shí)別,。

3、電渦流傳感器在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用

電磁爐

電磁爐是我們?nèi)粘Ｉ钪械募矣秒娖髦?，渦流傳感器是其核心器件之一,，高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng);在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流,，使鍋底自行發(fā)熱,，燒開鍋內(nèi)的食物。

電渦流探雷器

電渦流式接近開關(guān)

接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān),。它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近,。

當(dāng)物體接近到設(shè)定距離時(shí)，就可發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”,，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力,。這種接近開關(guān)只能檢測(cè)金屬。

隨著機(jī)電一體化智能技術(shù)的發(fā)展,，電渦流傳感器的性能將會(huì)得到進(jìn)一步的完善,，其檢測(cè)結(jié)果將會(huì)更精確，檢測(cè)距離將會(huì)更長,，動(dòng)態(tài)檢測(cè)性能更好,，因此，電渦流傳感器的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊,。