電渦流位移傳感器的基本知識(shí)

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(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè) 量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工 具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之 間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。圖1-2電渦流作用原理圖在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī) 械狀態(tài)分析，振動(dòng)研究、分析測(cè) 量中，對(duì)非接觸的高精度振動(dòng)、 位移信號(hào)，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到 轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸 的徑向振動(dòng)、振幅以及軸向位置 電渦流傳感器以其長(zhǎng)期工作可靠 性好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀 態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承學(xué)的理論上

2、分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)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(cè)量轉(zhuǎn)軸 的狀態(tài)，對(duì)諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、軸裂紋及發(fā)生摩 擦等機(jī)械問(wèn)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(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)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(guò)延伸電纜流入探頭線圈,_一313=、*1_ 由部仆區(qū)導(dǎo)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(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng)，則在此金屬表面產(chǎn)生 感應(yīng)電流，與

3、此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反 的交變磁場(chǎng)，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(dǎo)率、電導(dǎo)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(dǎo)體表面的距離 等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性， 則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率6、磁導(dǎo)率E、尺寸因子頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強(qiáng)度I和 頻率3參數(shù)來(lái)描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F（ t,七6, D, I, 口）函數(shù) 來(lái)表示。通常我們能做到控制p , S, 6,1, 3這幾個(gè)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(gè) 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(guò)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(dǎo)體的距離 D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化，其工作過(guò)程是：當(dāng)被測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù) 的測(cè)量。頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，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(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過(guò)檢波、濾波、線性補(bǔ) 償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機(jī)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(cè)體可看 作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個(gè)電渦流位移傳感器的性能與被測(cè)體有 關(guān)。按照電渦流在導(dǎo)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(lái)說(shuō)仍是相似的。 電渦流 式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、 應(yīng)力、 材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小，靈敏度高， 頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，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(duì)汽輪機(jī)、水輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分機(jī)、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動(dòng)、軸向位移、鍵相器、 軸

6、轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在 線測(cè)量和保護(hù)。軸向位移測(cè)量對(duì)于許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括蒸汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、水輪機(jī)、離 心式和軸流式壓縮機(jī)、離心泵等，軸向位移是一個(gè)十分重要的信號(hào)， 過(guò)大的軸向位移將會(huì)引起過(guò)大的機(jī)構(gòu)損壞。 軸向位移的測(cè)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(duì)瞬時(shí)的位移變化，用以防止機(jī)器的破壞。軸向位移是指機(jī)器內(nèi)部轉(zhuǎn)子沿軸心方向， 相對(duì)于止 推軸承二者之間的間隙而言。有些機(jī)械故障，也可通過(guò)軸向位移的探 測(cè)，進(jìn)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(dòng)聯(lián)軸節(jié)的鎖住等。軸向位移（軸向間隙）的測(cè)量，經(jīng)常與軸向振動(dòng)弄混。軸向振 動(dòng)是指

7、傳感器探頭表面與被測(cè)體，沿軸向之間距離的快速變動(dòng)，這是 一種軸的振動(dòng)，用峰峰值表示。它與平均間隙無(wú)關(guān)。有些故障可以導(dǎo) 致軸向振動(dòng)。例如壓縮機(jī)的踹振和不對(duì)中即是。振動(dòng)測(cè)量測(cè)量徑向振動(dòng)，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(duì)中等機(jī)械故障。 可以提供對(duì)于下列關(guān)鍵或基礎(chǔ)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的信息：工業(yè)透平，蒸汽燃汽壓縮機(jī)，空氣特殊用途氣體，徑向 /軸向電動(dòng)馬達(dá)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)齒輪箱,泵風(fēng)扇,鼓風(fēng)機(jī)往復(fù)式機(jī)械振動(dòng)測(cè)量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。可為如下各種機(jī)械故障的早期判別提供了重要信息。脹差測(cè)量對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，在其啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，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(guò)殼體膨脹；有可能導(dǎo)致透平機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件（如機(jī)殼、噴嘴、臺(tái)座等 ）的相互接觸，導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測(cè)量是非常重要的。脹差測(cè)量斜坡式脹差測(cè)量補(bǔ)償式序差測(cè)量雙斜面脹差測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)速布相位差測(cè)試衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測(cè)量沒(méi)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(qiáng)。轉(zhuǎn)速測(cè)量對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是 衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越 性是其它任何傳感器測(cè)量沒(méi)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(qiáng)。電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速，通常選用d 3mm、（|）4mm、（|）5mm、（|）8mm、 010mm的探頭。轉(zhuǎn)速測(cè)量頻響為010KHZ。電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速，傳感器輸出的信號(hào)幅值較高（在低速和高速整個(gè)范圍內(nèi)）抗干擾 能力強(qiáng)。無(wú)源磁電式傳感器是針對(duì)測(cè)齒輪而設(shè)計(jì)的發(fā)電型傳感器（無(wú)源），不適合測(cè)零轉(zhuǎn)速和較低轉(zhuǎn)速，因低頻時(shí)，幅值信號(hào)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(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，適合測(cè)量0.03HZ以上轉(zhuǎn)速 信號(hào)。安裝要求：1、軸的徑向振動(dòng)測(cè)量當(dāng)需要測(cè)量軸的徑向振動(dòng)時(shí)，要求軸的直徑大于探

10、頭直徑的 三倍以上。每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)安裝兩個(gè)傳感器探頭，兩個(gè)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(gè)探頭分別安裝在垂直中心線每一 側(cè)45o ,從原動(dòng)機(jī)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(dòng)測(cè)量時(shí)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(huì)有偏差。軸的徑向振動(dòng)探頭安裝位置與軸承的最大距離。軸的徑向振 動(dòng)測(cè)量時(shí)探頭的安裝:測(cè)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(cè)的表面（正對(duì)探頭中心線的兩邊1.5倍探頭直徑寬度的軸的整個(gè)圓周面，如圖）應(yīng)無(wú) 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(gè)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(cè)量測(cè)量軸的軸向位移時(shí)，測(cè)量面應(yīng)該與軸是一個(gè)整體，這個(gè)測(cè)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(guò)305mm ,否則測(cè)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(cè)量的不是 軸的真實(shí)位移值。3、鍵相測(cè)量鍵相測(cè)量就是通過(guò)在被測(cè)軸上設(shè)置一個(gè)凹梢或凸鍵，稱鍵相 標(biāo)記。當(dāng)這個(gè)凹梢或凸

12、鍵轉(zhuǎn)到探頭位置時(shí)，相當(dāng)于探頭與被測(cè)面 間距突變，傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，軸每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)脈沖信號(hào)，產(chǎn)生的時(shí)刻表明了軸在每轉(zhuǎn)周期中的位置。因此通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，可以測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速；通過(guò)將脈沖與軸的振動(dòng)信 號(hào)比較，可以確定振動(dòng)的相位角，用于軸的動(dòng)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(hào)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(zhǎng)度應(yīng)大于0.2mm。凹梢或凸鍵應(yīng)平行于軸中心線，其長(zhǎng)度盡量長(zhǎng)，以防當(dāng)軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)時(shí)，探頭還能對(duì)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(cè)面之間的間隙變化過(guò)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(jī)組的驅(qū)動(dòng)部分上，這樣即使機(jī)組的驅(qū)動(dòng)部分與 載荷脫離，傳感器仍會(huì)有鍵相信號(hào)輸出。當(dāng)機(jī)組具有不同的轉(zhuǎn)速 時(shí)通常需要有多套鍵相傳感器探頭對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而可以為機(jī) 組的各部分提供有效的鍵相信號(hào)。鍵相標(biāo)記可以是凹梢，也可以是凸鍵，如圖所示，標(biāo)準(zhǔn)要求用 凹梢的形式。當(dāng)標(biāo)記是凹梢時(shí)，安裝探頭要對(duì)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(diǎn)為宜），而不是對(duì)著凹 梢來(lái)調(diào)整初始安裝間隙。而當(dāng)標(biāo)記是凸鍵時(shí)探頭一定要對(duì)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(diǎn)為宜）

14、 不是對(duì)著軸的其它完整表面進(jìn)行調(diào)整。否則當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì) 造成凸鍵與探頭碰撞，剪斷探頭。安裝時(shí)不能把幽場(chǎng)包 住，要磁場(chǎng)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(fù)載在多個(gè)傳感器近距離 安裝時(shí)，要采用同步 方式被測(cè)體對(duì)電渦流傳感器特性的影響: 1、被測(cè)體材料對(duì)傳感器的影響傳感器特性與被測(cè)體的電導(dǎo)率6、磁導(dǎo)率已有關(guān)，當(dāng)被測(cè)體為 導(dǎo)磁材料（如普通鋼、結(jié)構(gòu)鋼等）時(shí)，由于渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)同 時(shí)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(dāng)被測(cè)體為弱導(dǎo)磁材料（如銅，鋁，合金鋼 等）時(shí)，由于磁效應(yīng)弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)渦流效應(yīng)

15、要強(qiáng)，因此傳感器感 應(yīng)靈敏度要高。2、被測(cè)體表面平整度對(duì)傳感器的影響不規(guī)則的被測(cè)體表面，會(huì)給實(shí)際的測(cè)量帶來(lái)附加誤差，因此 對(duì)被測(cè)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(duì)于振動(dòng)測(cè)量的被測(cè)表面粗糙度要求在0.4um 0.8um之間；對(duì)于位移測(cè)量被測(cè)表面粗糙度要求在0.4um 1.6um 之間。3、被測(cè)體表面磁效應(yīng)對(duì)傳感器的影響電渦流效應(yīng)主要集中在被測(cè)體表面，如果由于加工過(guò)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(huì)影響傳感器特性。在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，如 果被測(cè)體表面殘磁效應(yīng)過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量波形發(fā)生畸變。4、被測(cè)體表面鍍層對(duì)傳感

16、器的影響被測(cè)體表面的鍍層對(duì)傳感器的影響相當(dāng)于改變了被測(cè)體材 料，視其鍍層的材質(zhì)、厚薄，傳感器的靈敏度會(huì)略有變化。5、被測(cè)體表面尺寸對(duì)傳感器的影響由于探頭線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)范圍是一定的，而被測(cè)體表面形成的渦流場(chǎng)也是一定的。這樣就對(duì)被測(cè)體表面大小有一定要求。通常，當(dāng)被測(cè)體表面為平面時(shí)，以正對(duì)探頭中心線的點(diǎn)為中心， 被測(cè)面直徑應(yīng)大于探頭頭部直徑的1.5倍以上；當(dāng)被測(cè)體為圓軸且探頭中心線與軸心線正交時(shí)，一般要求被測(cè)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(huì)下降，被測(cè)體表面越小,靈敏度下降越多。實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)被測(cè)體表面大小與探頭頭部直徑 相同，其靈敏度會(huì)下降到 72%左右。被測(cè)體的厚度也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。被測(cè)體中電渦流場(chǎng)作用的深度