電渦流位移傳感器的原理

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)體距探頭外表距離.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.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)

2、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(chēng)為電渦流效應(yīng).而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱(chēng)為電渦流式傳感器.產(chǎn)生交變的磁場(chǎng).當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng),前置器中高頻振蕩電流通過(guò)延伸電纜流入探頭線圈,在探頭頭部的線圈中那么在此金屬外表產(chǎn)生感應(yīng)電流,與此同時(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

3、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)體外表的距離等參數(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,那么線圈和金屬導(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S、尺寸因子頭部體線圈與金屬導(dǎo)體外表的距離口電流強(qiáng)度I和頻率3參數(shù)來(lái)描述.那么線圈特征阻抗可用Z=F(T,七,6,D,I,3)函數(shù)來(lái)表示.通常我們能做到限制T,S,6,I,3這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變,那么線圈的特征阻抗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

4、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)體外表之間的間距而變化,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.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).根據(jù)電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況,此傳感器可分為高頻

5、反射式和低頻透射式兩類(lèi),但從根本工作原理上來(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、外表溫度、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)

6、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,用以預(yù)防機(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?jìng)鞲衅魈筋^外表與被測(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

7、到轉(zhuǎn)子的不平衡,不對(duì)中等機(jī)械故障.可以提供對(duì)于以下關(guān)鍵或根底機(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)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)償式取差測(cè)量以斜面脹差測(cè)量轉(zhuǎn)速

8、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)重要指注劉標(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-停士二：；£,！.!二：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d3mm|4mm©5mm©8mm©10mm的探頭.轉(zhuǎn)速測(cè)量頻響為010KHz電渦流

9、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)抗干擾水平強(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,抗干擾水平差,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)水平,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士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央線每一側(cè)45o,從原動(dòng)機(jī)端看,分別定義為X

10、探頭水平方向和Y探頭垂直方向,X方向在垂直中央線的右側(cè),Y方向在垂直中央線的左側(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,如下圖,否那么由于軸的撓度,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0-76mm25mm76510mm76mm大于520mm160mm探頭中央線應(yīng)與軸心線正交,探頭監(jiān)測(cè)的外表正對(duì)探頭中央線的兩邊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)的外表現(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,其外表的粗糟度應(yīng)在0.4um至0.8um之間.2、軸的軸向位移測(cè)量

11、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)量面是以探頭的中央線為中央,寬度為1.5倍的探頭圓環(huán).探頭安裝距離距止推法蘭盤(pán)不應(yīng)超過(guò)305mm否那么測(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(chēng)鍵相標(biāo)記.當(dāng)這個(gè)凹梢或凸鍵轉(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)刻說(shuō)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)比擬,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

12、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.一般假設(shè)采用05、08探頭,那么這一凹梢或凸鍵寬度應(yīng)大于7.6mni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0.2mmo凹梢或凸鍵應(yīng)平行于軸中央線,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.為了預(yù)防由于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)局部上,這樣即使機(jī)組的驅(qū)動(dòng)局部與載荷脫離,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)組的各局部提供有效的鍵

13、相信號(hào).鍵相標(biāo)記可以是凹梢,也可以是凸鍵,如下圖,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)著軸的完整局部調(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)著凸起的頂部外表調(diào)整初始安裝間隙安裝在傳感器的線性中點(diǎn)為宜,不是對(duì)著軸的其它完整外表進(jìn)行調(diào)整.否那么當(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.工,口.號(hào)小叫川r1M'lI?'I11Ill''rlllI安裝時(shí)不能把夜場(chǎng)包住,要酸場(chǎng)外露官定的物理固定和恒溫R境是最理想的安裝方法消除傾斜,保證平行.用膨脹系數(shù)較低的材料預(yù)防側(cè)負(fù)載在多個(gè)傳感器近年離

14、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S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)要強(qiáng),因此傳感器感應(yīng)靈敏度要高.2、被測(cè)體外表平整度對(duì)傳感器的影響不規(guī)那么的被測(cè)體外表,會(huì)給實(shí)際的測(cè)量帶來(lái)附加誤差,因此對(duì)被測(cè)體外表應(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)外表粗糙度要求在0.4um0.8um之間；對(duì)于位移測(cè)量

15、被測(cè)外表粗糙度要求在0.4um1.6um之間.3、被測(cè)體外表磁效應(yīng)對(duì)傳感器的影響電渦流效應(yīng)主要集中在被測(cè)體外表,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)體外表殘磁效應(yīng)過(guò)大,會(huì)出現(xiàn)測(cè)量波形發(fā)生畸變.4、被測(cè)體外表鍍層對(duì)傳感器的影響被測(cè)體外表的鍍層對(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)體外表尺寸對(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)體外表形成的渦流場(chǎng)也是一定的.這樣就對(duì)被測(cè)體外表大小有一定要求.通常,當(dāng)被測(cè)體外表為平面時(shí),以正對(duì)探頭中央線的點(diǎn)為中央,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)體為圓軸且探頭中央線與軸心線正交時(shí),一般要求被測(cè)軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上,否那么傳感器的靈敏度會(huì)下降,被測(cè)體外表越小,靈敏度下降越多.實(shí)驗(yàn)測(cè)試,當(dāng)被測(cè)體外表大小與探頭頭部直徑相同,其靈敏度會(huì)下降到72妞右.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)作用的深度由頻率、材料