基于电涡流传感器的信号检测示教板研究

罗毅

摘 要：电涡流传感器是生产实践、教学研究中广泛使用的传感器之一，本文通过分析电涡流传感器的基本原理、结构以及典型测量电路，研究传感器信号检测模块示教板制作。

关键词：电涡流；信号检测；示教板；研究

示教板制作是目前高校理论和实践教学过程中的一个新课题，本文作者针对传感器系列课程教学，以电涡流传感器为例，设计其检测电路模块，用于日常的理论与实践教学过程中。

一、 电涡流传感器基本原理

电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成。根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而導致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。由式Z、L和式Q可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Q值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x（H）的非线性函数。因此Z、L、Q均是x的非线性函数。虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。其实Z、L、Q的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当电涡流线圈、金属涡流片以及激励源确定后，并保持环境温度不变，则只与距离x有关。于此，通过传感器的调理电路（前置器）处理，将线圈阻抗Z、L、Q的变化转化成电压或电流的变化输出。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

二、电涡流传感器的常用检测电路

电涡流传感器的等效阻抗通常采用调频式、调幅式、交流电桥三种测量电路进行检测。

（一）调频式测量电路

将传感器线圈作为LC振荡回路的组成之一，当涡流传感器感测到被测参数变化时，传感器线圈的等效阻抗随之变化，从而导致LC振荡频率的变化，将变化的频率检测出来，或者通过将频率转换为电压，用数字电压表即可实现测量。具体的电路通常由克拉波电容三点式振荡器、射极输出电路两部分组成。

（二）调幅式测量电路

同样是LC谐振回路，但是给回路提供了一个石英晶体振荡器，起恒流电源的作用，从而将LC谐振回路输出的电压表示为含有传感器线圈阻抗Z的函数。当无金属导体靠近的时候，回路谐振频率等于石英晶体振荡器的频率，此时，回路呈现的阻抗最大，表示为回路输出的电压也为最大。当有金属导体靠近传感器时，由于涡流效应，线圈的等效阻抗会发生变化，致使回路失谐，从而使输出电压降低。将该输出电压进行放大、检波后，由指示仪表直接显示出被测参数的大小。

三、电涡流传感器测量电路设计

（一）电涡流变换电路设计

根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量，本文设计一个调幅式测量电路。为实现电涡流传感器信号的测量，必须有一个专用的检测电路。该检测电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。

采用有三极管、三个电容组成的电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。⑶Q2组成射极跟随器。射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。

电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。

当无被测导体时，振荡器回路谐振于f0，传感器端部线圈Q0为定值且最高，对应的检波输出电压Vo 最大。当被测

导体接近传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值Vo变小。Vo变化反映了位移x的变化。电涡流传感器在位移、振动、转速、探伤、厚度测量上得到应用。

（二）滤波器设计

除了前面的涡流变换电路，为了实现电涡流传感器对位移、振动、加速度等多种非电参数的测量，就要考虑到电路的稳定性与线性度，就必须对电路进行改进，方案就是在电路中加入滤波的模块，以保证稳定性与线性度。由于振荡器产生为对于不同的滤波器而言，每个信号的强弱程度不同。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average）所起的作用。低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

四、结论

示教板的设计与制作在高校传感器教学中的作用日显重要，通过示教板在教学过程中的应用，课深化书本知识，强化工程应用。设计和制作直观具体、形象生动的教具，能很好地诠释教学的重、难点，从而实现从感性到理性，从具体到抽象，从简单到复杂的教学目标。

本文通过分析电涡流传感器的工作原理、常用测量方法及相关电路，探讨了一种电涡流传感器测量电路的实现。为今后该示教板的制作打下了基础。

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（作者单位：攀枝花学院，四川 攀枝花 617000）