高频反射式电涡流传感器

组成与工作机理

高频反射式电涡流传感器由两部分构成：一是传感器本体，即安置在框架上的扁平线圈（框架、衬套、支架、电缆、插头等为结构支撑与引出部件）；二是被测金属导体。线圈只是传感器的一半，另一半是被测导体，因此传感器特性与被测导体材料的物理性质、尺寸和形状有关。

线圈通以高频交流电流 $I_1$ 时产生交变磁场 $H_1$。置于该磁场中的金属导体内感应出闭合的电涡流 $I_2$，$I_2$ 又产生反向磁场 $H_2$。$H_2$ 对原磁场起反作用，使线圈的等效阻抗发生变化。这一“电涡流反射”作用是传感器工作的物理基础。

渗透深度与频率分类

电涡流在金属导体内的渗透深度 $h$ 与激励频率 $f$ 有关，频率越高渗透越浅：

式中 $\rho$ 为导体电阻率（$\mathrm{\Omega }\cdot \mathrm{m}$），$\mu$ 为导体磁导率（$\mathrm{H}\mathrm{/}\mathrm{m}$），$f$ 为激励电流频率（$\mathrm{H}\mathrm{z}$），$h$ 为渗透深度（$\mathrm{m}$）。据此按激磁电源频率把电涡流传感器分为两类：高频反射式适用于非接触式位移测量；低频透射式适用于金属板厚度测量。

阻抗函数与测距原理

线圈等效阻抗 $Z$ 是被测导体电阻率 $\rho$、磁导率 $\mu$、导体几何形状、线圈几何参数 $r$、激励电流频率 $f$ 以及线圈到被测导体间距离 $x$ 的函数：

若保持 $\rho$、$\mu$、$r$、$f$ 及导体几何形状不变，则 $Z$ 只随 $x$ 变化，通过测量阻抗变化即可确定距离 $x$。这就是高频反射式电涡流传感器用于位移（距离）测量的基本关系。

定频测距电路

定频测距电路采用稳频稳幅正弦波振荡器作为信号源，电感 $L$（即传感器线圈）与电容 $C$ 构成谐振回路，线圈下方为被测金属板，间距为 $x$。当 $x$ 变化时线圈电感 $L$ 随之变化，谐振回路状态改变，经电阻 $R$ 取出信号并检波后由仪表显示。电路的核心功能是把 $L$ 随 $x$ 的变化（$L$-$x$ 关系）转换为电压 $U$ 随 $x$ 的变化（$U$-$x$ 关系），由测得的 $U$ 确定 $x$。在保持被测金属板材料（电阻率 $\rho$ 与磁导率 $\mu$）不变、仅改变间距 $x$ 的条件下，该电路的 $U$-$x$ 曲线不反映金属板电阻率的变化；若金属板电阻率改变，则 $U$-$x$ 关系随之改变。

调频测距电路

调频测距电路由高频振荡器、鉴频器和传感器线圈组成。传感器线圈与被测金属板间距离 $x$ 变化时，线圈电感量 $L$ 改变，导致振荡器频率 $f$ 改变，鉴频器再把频率变化转换为电压输出。振荡频率近似为：

式中 $L(x)$ 为随距离 $x$ 变化的线圈电感（$\mathrm{H}$），$C$ 为振荡回路电容（$\mathrm{F}$），$f$ 为振荡频率（$\mathrm{H}\mathrm{z}$）。电路实现上可采用电容三点式振荡器加射极输出器结构。