電渦流位移傳感器的基本知識

1、電渦流位移傳感器的工作原理:電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測 量被測金屬導體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計量工 具。電渦流傳感器能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之 間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。圖1-2電渦流作用原理圖在高速旋轉(zhuǎn)機械和往復(fù)式運動機 械狀態(tài)分析，振動研究、分析測 量中，對非接觸的高精度振動、 位移信號，能連續(xù)準確地采集到 轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸 的徑向振動、振幅以及軸向位置 電渦流傳感器以其長期工作可靠 性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機械狀 態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。從轉(zhuǎn)子動力學、軸承學的理論上

2、分析，大型旋轉(zhuǎn)機械的運動狀態(tài), 主要取決于其核心一轉(zhuǎn)軸，而電渦流傳感器，能直接非接觸測量轉(zhuǎn)軸 的狀態(tài)，對諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對中、軸承磨損、軸裂紋及發(fā)生摩 擦等機械問題的早期判定，可提供關(guān)鍵的信息。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電 流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng) 制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈,_一313=、*1_ 由部仆區(qū)導他圖1T傳感器輸出特性曲線在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生 感應(yīng)電流，與

3、此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反 的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到 改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的 幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離 等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性， 則線圈和金屬導體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導體的電導率6、磁導率E、尺寸因子頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度I和 頻率3參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F（ t,七6, D, I, 口）函數(shù) 來表示。通常我們能做到控制p , S, 6,1, 3這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi) 不變，則線圈的特征阻抗

4、Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個 函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為“ S”型曲線，但可以選取它近似 為線性的一段。于此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗 Z 的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離 D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，其工作過程是：當被測金屬與探圖1-3傳感器原理框圖電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù) 的測量。頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓 幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補 償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移（

5、間隙） 轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測體可看 作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有 關(guān)。按照電渦流在導體內(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。 電渦流 式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、 應(yīng)力、 材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高， 頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其廣泛。典型應(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。對汽輪機、水輪機、鼓風機、壓縮機、空分機、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、 軸

6、轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動力學研究和零件尺寸檢驗等進行在 線測量和保護。軸向位移測量對于許多旋轉(zhuǎn)機械，包括蒸汽輪機、燃汽輪機、水輪機、離 心式和軸流式壓縮機、離心泵等，軸向位移是一個十分重要的信號， 過大的軸向位移將會引起過大的機構(gòu)損壞。 軸向位移的測量，可以指 示旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的軸向間隙或相對瞬時的位移變化，用以防止機器的破壞。軸向位移是指機器內(nèi)部轉(zhuǎn)子沿軸心方向， 相對于止 推軸承二者之間的間隙而言。有些機械故障，也可通過軸向位移的探 測，進行判別：止推軸承的磨損與失效 平衡活塞的磨損與失效止推法蘭的松動聯(lián)軸節(jié)的鎖住等。軸向位移（軸向間隙）的測量，經(jīng)常與軸向振動弄混。軸向振 動是指

7、傳感器探頭表面與被測體，沿軸向之間距離的快速變動，這是 一種軸的振動，用峰峰值表示。它與平均間隙無關(guān)。有些故障可以導 致軸向振動。例如壓縮機的踹振和不對中即是。振動測量測量徑向振動，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，不對中等機械故障。 可以提供對于下列關(guān)鍵或基礎(chǔ)機械進行機械狀態(tài)監(jiān)測所需要的信息：工業(yè)透平，蒸汽燃汽壓縮機，空氣特殊用途氣體，徑向 /軸向電動馬達發(fā)電機勵磁機齒輪箱,泵風扇,鼓風機往復(fù)式機械振動測量同樣可以用于對一般性的小型機械進行連續(xù)監(jiān)測?？蔀槿缦赂鞣N機械故障的早期判別提供了重要信息。脹差測量對于汽輪發(fā)電機組來說，在其啟動和停機時，由于金屬材料的不同，熱膨脹系數(shù)

8、的不同，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過殼體膨脹；有可能導致透平機的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件（如機殼、噴嘴、臺座等 ）的相互接觸，導致機器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。脹差測量斜坡式脹差測量補償式序差測量雙斜面脹差測量轉(zhuǎn)速測量對于所有旋轉(zhuǎn)機械而言，都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)速布相位差測試衡量機器正常運轉(zhuǎn)的一個重要指標。而電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測量沒法比的，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。轉(zhuǎn)速測量對于所有旋轉(zhuǎn)機械而言，都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是 衡量機器正常運轉(zhuǎn)的一個重要指標。而電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越 性是其它任何傳感器測量沒法

9、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。電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速，通常選用d 3mm、（|）4mm、（|）5mm、（|）8mm、 010mm的探頭。轉(zhuǎn)速測量頻響為010KHZ。電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速，傳感器輸出的信號幅值較高（在低速和高速整個范圍內(nèi)）抗干擾 能力強。無源磁電式傳感器是針對測齒輪而設(shè)計的發(fā)電型傳感器（無源），不適合測零轉(zhuǎn)速和較低轉(zhuǎn)速，因低頻時，幅值信號小，抗干 擾能力差，它不需要供電。有源磁電式傳感器采用了 +24V供電,輸出波形為矩形波，具有負載驅(qū)動能力，適合測量0.03HZ以上轉(zhuǎn)速 信號。安裝要求：1、軸的徑向振動測量當需要測量軸的徑向振動時，要求軸的直徑大于探

10、頭直徑的 三倍以上。每個測點應(yīng)同時安裝兩個傳感器探頭，兩個探頭應(yīng)分 別安裝在軸承兩邊的同一平面上相隔90o ±5o。由于軸承蓋一般是水平分割的，因此通常將兩個探頭分別安裝在垂直中心線每一 側(cè)45o ,從原動機端看，分別定義為X探頭（水平方向）和 Y探頭（垂直方向），X方向在垂直中心線的右側(cè)，Y方向在垂直中心線的左側(cè)。軸的徑向振動測量時探頭的安裝位置應(yīng)該盡量靠近軸承，如 圖所示，否則由于軸的撓度，得到的值會有偏差。軸的徑向振動探頭安裝位置與軸承的最大距離。軸的徑向振 動測量時探頭的安裝:測量軸承直徑最大距離076mm 25mm76510mm 76mm大于 520mm 160mm探頭中心

11、線應(yīng)與軸心線正交，探頭監(jiān)測的表面（正對探頭中心線的兩邊1.5倍探頭直徑寬度的軸的整個圓周面，如圖）應(yīng)無 裂痕或其它任何不連續(xù)的表面現(xiàn)象（如鍵梢、凸凹不平、油孔等），且在這個范圍內(nèi)不能有噴鍍金屬或電鍍，其表面的粗子I度應(yīng)在 0.4um至0.8um之間。2、軸的軸向位移測量測量軸的軸向位移時，測量面應(yīng)該與軸是一個整體，這個測量面是以探頭的中心線為中心，寬度為1.5倍的探頭圓環(huán)。探頭安裝距離距止推法蘭盤不應(yīng)超過305mm ,否則測量結(jié)果不僅包含軸向位移的變化，而且包含脹差在內(nèi)的變化，這樣測量的不是 軸的真實位移值。3、鍵相測量鍵相測量就是通過在被測軸上設(shè)置一個凹梢或凸鍵，稱鍵相 標記。當這個凹梢或凸

12、鍵轉(zhuǎn)到探頭位置時，相當于探頭與被測面 間距突變，傳感器會產(chǎn)生一個脈沖信號，軸每轉(zhuǎn)一圈，就會產(chǎn)生 一個脈沖信號，產(chǎn)生的時刻表明了軸在每轉(zhuǎn)周期中的位置。因此通過對脈沖計數(shù)，可以測量軸的轉(zhuǎn)速；通過將脈沖與軸的振動信 號比較，可以確定振動的相位角，用于軸的動平衡分析以及設(shè)備 的故障分析與診斷等方面。凹梢或凸鍵要足夠大，以使產(chǎn)生的脈沖信號峰峰值不小于5V。一般若采用。5、0 8探頭，則這一凹梢或凸鍵寬度應(yīng)大于7.6mm、深度或高度應(yīng)大于 1.5mm （推薦采用2.5mm以上）、 長度應(yīng)大于0.2mm。凹梢或凸鍵應(yīng)平行于軸中心線，其長度盡量長，以防當軸產(chǎn)生軸向竄動時，探頭還能對著凹梢或凸鍵。為了 避免由于

13、軸相位移引起的探頭與被測面之間的間隙變化過大，應(yīng) 將鍵相探頭安裝在軸的徑向，而不是軸向的位置。應(yīng)盡可能地將 鍵相探頭安裝在機組的驅(qū)動部分上，這樣即使機組的驅(qū)動部分與 載荷脫離，傳感器仍會有鍵相信號輸出。當機組具有不同的轉(zhuǎn)速 時通常需要有多套鍵相傳感器探頭對其進行監(jiān)測，從而可以為機 組的各部分提供有效的鍵相信號。鍵相標記可以是凹梢，也可以是凸鍵，如圖所示，標準要求用 凹梢的形式。當標記是凹梢時，安裝探頭要對著軸的完整部分調(diào) 整初始安裝間隙（安裝在傳感器的線性中點為宜），而不是對著凹 梢來調(diào)整初始安裝間隙。而當標記是凸鍵時探頭一定要對著凸起 的頂部表面調(diào)整初始安裝間隙（安裝在傳感器的線性中點為宜）

14、 不是對著軸的其它完整表面進行調(diào)整。否則當軸轉(zhuǎn)動時，可能會 造成凸鍵與探頭碰撞，剪斷探頭。安裝時不能把幽場包 住，要磁場外露 穩(wěn)定的物理回定和恒 溫環(huán)境是最理想的安 裝方法 消除傾斜，保證平行.用膨脹系數(shù)較低的材 料避免側(cè)負載在多個傳感器近距離 安裝時，要采用同步 方式被測體對電渦流傳感器特性的影響: 1、被測體材料對傳感器的影響傳感器特性與被測體的電導率6、磁導率已有關(guān)，當被測體為 導磁材料（如普通鋼、結(jié)構(gòu)鋼等）時，由于渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)同 時存在，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。而當被測體為弱導磁材料（如銅，鋁，合金鋼 等）時，由于磁效應(yīng)弱，相對來說渦流效應(yīng)

15、要強，因此傳感器感 應(yīng)靈敏度要高。2、被測體表面平整度對傳感器的影響不規(guī)則的被測體表面，會給實際的測量帶來附加誤差，因此 對被測體表面應(yīng)該平整光滑，不應(yīng)存在凸起、洞眼、刻痕、凹梢 等缺陷。一般要求，對于振動測量的被測表面粗糙度要求在0.4um 0.8um之間；對于位移測量被測表面粗糙度要求在0.4um 1.6um 之間。3、被測體表面磁效應(yīng)對傳感器的影響電渦流效應(yīng)主要集中在被測體表面，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)不均勻等都會影響傳感器特性。在進行振動測量時，如 果被測體表面殘磁效應(yīng)過大，會出現(xiàn)測量波形發(fā)生畸變。4、被測體表面鍍層對傳感

16、器的影響被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當于改變了被測體材 料，視其鍍層的材質(zhì)、厚薄，傳感器的靈敏度會略有變化。5、被測體表面尺寸對傳感器的影響由于探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，而被測體表面形成的渦流場也是一定的。這樣就對被測體表面大小有一定要求。通常，當被測體表面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心， 被測面直徑應(yīng)大于探頭頭部直徑的1.5倍以上；當被測體為圓軸且探頭中心線與軸心線正交時，一般要求被測軸直徑為探頭頭部 直徑的3倍以上，否則傳感器的靈敏度會下降，被測體表面越小,靈敏度下降越多。實驗測試，當被測體表面大小與探頭頭部直徑 相同，其靈敏度會下降到 72%左右。被測體的厚度也會影響測量結(jié)果。被測體中電渦流場作用的深度