电涡流效应在摆式加速度传感器中的应用

冀雨

摘要：电涡流传感器基于电涡流效应，是摆式加速度传感器的重要组成部分。采用差分结构的电涡流传感器可有效提高摆式加速度传感器测量精度、可靠性，使其在航空航天等重要领域得到广泛应用。本文主要介绍了电涡流效应及电涡流传感器，并论述了电涡流效应在摆式加速度传感器中的应用原理。

关键词：电涡流效应;电涡流传感器;加速度传感器

Abstract：Eddycurrentsensorisanimportantpartofpendulumaccelerometerbasedoneddycurrenteffect.Theeddycurrentsensorwithdifferentialstructurecaneffectivelyimprovethemeasurementaccuracyandreliabilityofpendulumaccelerometer，whichmakesitwidelyusedinaerospaceandotherimportantfields.Thispapermainlyintroduceseddycurrenteffectandeddycurrentsensor，anddiscussestheapplicationofeddycurrenteffectinpendulumaccelerometer.

Keywords：eddycurrenteffect;eddycurrentsensor;accelerometer

摆式加速度传感器具有小型化、大量程和高抗冲击振动的特点，是航空、航天等惯性导航领域中应用最为广泛的加速度传感器[1]。电涡流传感器基于电涡流效应，是摆式加速度传感器的重要组成部分，是保持其力矩器动子在平衡位置的前提，是实现传感器测量功能的基础。

1电涡流效应

电涡流效应实际是电磁感应的一种表现形式，其示意图如图1所示。当线圈内通入高频交变电流时，线圈内部将产生一个交变磁场，当交变磁场达到金属导体表面时，由法拉第的电磁感应定律可知，金属导体表面会产生自行封闭的感应电流，该电流被称为电涡流，这种现象被称为电涡流效应[2]。

2电涡流传感器原理

电涡流传感器由一个线圈和线圈附近的金属导体组成，由于电涡流效应，当给线圈通入交流电时，线圈中产生变化的磁场，这些变化的磁场通过金属导体时就会使导体内部产生电涡流，由楞次定律可知，在电涡流作用下产生与原线圈感应的磁力线相反的磁场，从而抵消原线圈磁场，从而引起线圈等效阻抗或等效电感或品质因数发生变化[3]。通过检测线圈内电流的大小和相位便可实现对被检测物体相关信息的提取。根据电涡流传感器工作原理，其等效电路如图2所示。线圈与金属导体之间定义一个互感系数M，它随着间距x的减小而增大。

根据等效电路，可以得出等效电阻、电感为

式中，R1为检测线圈的电阻;R2为被检测物体的等效电阻;L1为检测线圈的电感;L2为被检测物体的等效电感;ω为线圈激励电流的角频率;M为线圈与被检测物体间的互感系数。

由上式可知检测线圈的等效电阻值由检测线圈自身电阻和折合电阻两个部分组成。折合电阻与被检测物体的电阻、电感以及互感系数相关。互感系数是检测线圈和被检测物体距离的函数。在检测电路中，检测线圈确定后，在一个特定的、已知质地材料的导体作为被检测物体时，检测线圈等效电阻成为了一个仅与检测线圈和被测物件间距离有关的函数。通过对检测线圈两端输出电压信号的测量即可实现对被测物体与检测线圈相对位移的测量。

电涡流传感器基于电涡流效应原理，能准确测量被测体与探头端面的相对位置，具有长期工作可靠性好、靈敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快等优点。

3电涡流效应的应用

由于电涡流传感器会受到外界干扰而存在测量误差，要从根源上消除误差相对比较困难，故可采用差分结构以减小误差。差分结构原理：将两个传感线圈分别悬置于被检测物体的两边，被检测物体刚好位于两个检测线圈的中间位置，当有外界干扰发生时，两个检测线圈通过差分电路实现误差抑制和精度提高的功能[4]。

差分式电涡流传感器基于电涡流效应，被巧妙应用于摆式加速度传感器。摆式加速度传感器是采用金属悬丝支撑敏感质量块的闭环反馈摆式加速传感器，当沿敏感方向上有加速度输入时，动子在惯性力的作用下，相对平衡位置发生偏移，偏移量通过差分式电涡流传感器进行检测，将动子位移转为电感变化量，在电路的作用下放大并转换为电流信号，电流信号被反馈至伺服系统形成电弹簧系统，与惯性力矩形成等效力矩，最终使得动子稳定在平衡位置。通过检测反馈电流信号转变为的电压信号，即可实现对输入加速度的高精度测量。

4结束语

摆式加速度传感器基于差分式电涡流传感器和闭环反馈的工作原理，与传统的石英挠性加速度传感器和静电平衡加速度传感器相比，具有小体积、轻质量、大量程和高抗冲击振动的特点，又同时具有高稳定性、高精度等优点，在航空、航天领域有着广泛的应用[5]。它和陀螺仪组合构成的惯性测量单元，可完成对运载体姿态、位置的测量，是惯性导航的核心器件。随着军事需要的推动，小型化、抗冲击、高精度、长寿命、高可靠性的摆式加速度传感器的研制变得愈发重要。

参考文献

[1]任同群，钱志龙，徐龙，王晓东.悬丝摆式加速度计摆组件自动装配系统[J].光学精密工程，2021，29（07）：1609-1619.

[2]牛薇.基于电涡流原理的转速传感器的设计[D].哈尔滨工业大学，2014.

[3]路永乐.小型悬丝摆式加速度传感器原理及关键技术研究[D].重庆大学.2015.

[4]罗鑫锦.电涡流式传感器的突出应用功能[J].中国新通信，2019，21（06）：221.

[5]徐向东.微型悬丝摆式加速度计惯性组件装配设备研制[D].大连理工大学，2019.