电涡流效应及其应用

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1855年，法国物理学家傅科发现在磁场中运动的金属板因电磁感应而产生涡电流，被称为电涡流，也叫傅科（Foucault）电流，这是傅科在电磁学方面的重要发现.

1 电涡流效应的概念

根据法拉第电磁感应定律，块状的金属导体置于变化着的磁场中，或在固定磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内就要产生感应电流，该电流流线在金属导体内呈闭合回线，类似水的旋涡形状，故称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应.

2 理论解释

电涡流效应示意图如图1所示.根据法拉第电磁感应定律，当激励线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场Φ1，从而在附近金属导体平面上激发正弦交变的涡旋电场，金属导体中的自由电子就在该涡旋电场的电场力作用下绕金属平面垂直线往复地作涡旋运动，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流i2，这就是电涡流效应的原理.

3 电涡流效应的主要应用—电涡流传感器

因该电涡流i2又产生新的交变磁场Φ2，根据愣次定律，Φ2的作用将反抗原磁场Φ1，由于磁场Φ2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致激励线圈的等效阻抗发生变化.由上可知，激励线圈阻抗的变化完全取决于附近金属导体的电涡流效应.电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，还与线圈与被测体的尺寸因子r、线圈中激励电流i的幅值、频率ω有关，同时还与线圈与导体间的距离x有关.因此，激励线圈受电涡流影响时的等效阻抗为Z=f（μ，ρ，x，i1，ω，r）.如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，激励线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数.通过与之配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量，这样就组成电涡流传感器.

4 电涡流传感器的应用领域

电涡流传感器的应用领域大致有以下4个方面：

（1）利用位移作为变换量，可以做成测量位移、厚度、振幅、转速等传感器；

（2）利用材料电阻率为变换量，可以做成温度测量、材料判别等传感器；

（3）利用磁导率作变换量，可以做成测量应力等传感器；

（4）利用变换量的综合影响，可以做成探伤装置等.

5 电涡流传感器的应用实例

5.1 用电涡流传感器测单摆周期

将电涡流传感器线圈放置在单摆静止金属摆球正下方，距离金属摆球约5 mm位置.根据法拉第电磁感应定律，金属摆球在通过电涡流传感器线圈所产生的高频交变磁场时，金属摆球内将产生涡旋状的感应电涡流，该电涡流又将产生新的交变磁场，根据愣次定律，该新磁场的作用将反抗原磁场，导致电涡流传感器线圈等效电感发生变化，通过电涡流传感器测量电路可将电涡流传感器线圈等效电感变化转换成与之变化周期相同的脉冲波，用频率计数器可直接显示该脉冲波周期.单摆摆动一个周期，金属摆球将两次通过电涡流传感器线圈附近，使得电涡流传感器线圈等效电感变化两次，将该频率计数器测得周期乘2即为单摆摆动的周期.