電渦流傳感器

電渦流傳感器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(dǎo)體距探頭表面的距離。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)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時（與金屬是否塊狀無關(guān)，且切割不變化的磁場時無渦流），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延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。當(dāng)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(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g、尺寸因子T、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)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F（t,g,6,D,I,3）函數(shù)來表示。通常我們能做到控制t,g,6,I,3這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗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(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。

典型應(yīng)用電渦流傳感器系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)，對汽輪機(jī)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸的徑向振動、軸向位移、鑒相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、油膜厚度等進(jìn)行在線測量和安全保護(hù)，以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等方面。圖1-1列舉了上海航振儀器儀表有限公司的電渦流傳感器的一些典型應(yīng)用示意。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個與距離成正比的直流電壓。特殊疋制系列系列號形式量程工作溫度前置器安裝方式HZ891XL分體（探頭+前置器）0-25mm（可擴(kuò)量程）-50°C?+175°C底板安裝和導(dǎo)軌安裝HZ898分體（探頭+前置器）0-25mm（可擴(kuò)量程）-50°C?+175°C底板安裝HZ891YT一體化（前置器電路集成在探頭殼體內(nèi)）0-25mm（可擴(kuò)量程）-25C?+85C無前置器特殊定制系列分體、一體化均可可定制根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適用工作溫度不同//技術(shù)指標(biāo)1、線性量程、線性范圍、線性中點(diǎn)、非線性誤差、最小被測面探頭直徑線性量程(mm)線性范圍(mm)線性中點(diǎn)(mm)非線性誤差最小被測面(mm)申510.25?1.250.75±1%申15申820.50?2.501.5±1%申20申1141.0?5.03.0±1%申30申25121.5?13.57.5±1.5%申50申50252.5?27.515±2%申100探非線性誤差指實(shí)際輸出值與理論值(按標(biāo)準(zhǔn)特性方程計(jì)算)最大誤值。2、平均靈敏度(線性范圍內(nèi)輸出變化除線性范圍)探頭直徑輸出申5申8申11申25申50負(fù)電壓8V/mm8V/mm4V/mm0.8V/mm0.4V/mm4?20mA16mA/mm8mA/mm4mA/mm1.33mA/mm0.64mA/mm平均靈敏度誤差：W±5%3、 、動態(tài)特性頻響：0?10kHz幅頻特性：0?1kHz衰減小于1%,10kHz衰減小于5%相頻特性：0?1kHz相位差小于一10°,10kHz相位差小于一100°4、 互換性誤差＜5%5、 工作溫度探頭：工作溫度-50?+175°C溫漂＜0.05%/°C前置器：工作溫度-50?+120°C溫漂＜0.05%/°C6、 工作介質(zhì)：空氣、油、水。7、探頭最大工作壓力：12MpaA、探頭直徑選擇探頭直徑量程頭部長度申5051mm5mm申8082mm5mm申11114mm11mm申252512mm23mm申505025mm37mmB、螺紋規(guī)格選擇探頭直徑公制螺紋英制螺紋申5M8X11/4-28申8M10X13/8-24申11M14X1.51/2-20申25M30X21.25-12申50M14X1.51/2-20D無螺紋長選擇以10mm為單位最小無螺紋長0mm00,最大無螺紋長250mm25,遞增量10mm01探頭的無螺紋部分是為了方便安裝：采用螺孔安裝時，適當(dāng)長度的無螺紋部分可以減少需要旋入螺孔的長度。E殼體長度選擇以10mm為單位最小殼體長度20mm02，最大殼體長度250mm25，遞增量10mm01探頭殼體長度取決于安裝位置與被測面的距離。F電纜長度選擇050.5m505.0m101.0m909.0m電纜長度選擇應(yīng)考慮被測面與前置器安裝位置之間的距離。采用螺孔安裝時，建議選擇05(0.5m)、10(1.0m),易于保證旋動探頭時，探頭電纜與探頭能一起轉(zhuǎn)動，不易扭斷電纜,而且需選用延伸電纜，延伸電纜長度與探頭總長之和為5m或9m。在機(jī)器內(nèi)部安裝探頭，選擇探頭總長應(yīng)保證電纜接頭能處于機(jī)器外部，以防機(jī)器內(nèi)部的機(jī)油污染接頭。鎧裝選擇“K”表示電纜帶鎧裝，無“K”表示電纜不帶鎧裝如果探頭電纜無管道保護(hù)，建議選擇鎧裝探頭，以使探頭電纜不易被損壞。選型示例例1：HZ-891XLT08-M10X1-B-01-05-50(分體式：含前置器，電纜，探頭)表示：HZ-891XL系列電渦流傳感器，探頭直徑Q&殼體螺紋M10X1、標(biāo)準(zhǔn)安裝方式、無螺紋長10mm、殼體長度50mm、電纜長度5m、不帶鎧裝。例2：HZ-891YT08HP-M10X1-B-01-05-50(一體化式內(nèi)置前置器功能)表示：HZ-891XL系列一體化電渦流傳感器，探頭直徑Q&殼體螺紋M10X1、標(biāo)準(zhǔn)安裝方式、無螺紋長10mm、殼體長度50mm、電纜長度5m、不帶鎧應(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(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、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測量和保護(hù)。脹差測量斜坡式脹差測量補(bǔ)償式脹差測量雙斜面脹差測量振動測量軸位移測量軸心軌跡測量差動測量動力膨脹轉(zhuǎn)子動平徑向運(yùn)動分析轉(zhuǎn)速和相位差測試轉(zhuǎn)速測量表面不平整度測量裂痕測量非導(dǎo)電材料厚度測量金屬元件合格檢測軸承測量換向片測量振動測量測量徑向振動，可以由它分析軸承的工作狀態(tài)，還可以看到分析轉(zhuǎn)子的不平衡，不對中等機(jī)械故障。電渦流傳感器系統(tǒng)可以提供對于下列關(guān)鍵或是基礎(chǔ)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測所需要的信息：?工業(yè)透平，蒸汽/燃?xì)?壓縮機(jī)，徑向/軸向?膨脹機(jī)?動力發(fā)電透平，蒸汽/燃?xì)?水利?發(fā)動馬達(dá)?發(fā)動機(jī)?勵磁機(jī)?齒輪箱?泵?風(fēng)箱?鼓風(fēng)機(jī)?往復(fù)式機(jī)械相對振動測量(小型機(jī)械)振動測量同樣可以用于對一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。電渦流傳感器系統(tǒng)可為如下各種機(jī)械故障的早期判別提供重要信息：?軸的同步振動?油膜失穩(wěn)?轉(zhuǎn)子摩擦?部件松動?軸承套筒松動?壓縮機(jī)踹振?滾動部件軸承失效?徑向預(yù)載，內(nèi)部/外部包括不對中?軸承巴氏合金磨損?軸承間隙過大，徑向/軸向?平衡(阻氣)活塞?聯(lián)軸器“鎖死”磨損/失效?軸裂紋?軸彎曲?齒輪咬合問題?電動馬達(dá)空氣間隙不勻?葉輪通過現(xiàn)象?透平葉片通道共振偏心測量偏心是在低轉(zhuǎn)速的情況下，電渦流傳感器系統(tǒng)可對軸彎曲的程度進(jìn)行測量，這些彎曲可由下列情況引起：?原有的機(jī)械彎曲?臨時溫升導(dǎo)致的彎曲?重力彎曲?外力造成的彎曲偏心的測量，對于評價旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài)，是非常重要的。特別是對于裝有透平監(jiān)測儀表系統(tǒng)（TSI）的汽輪機(jī)，在啟動或停機(jī)過程中，偏心測量已成為不可少的測量項(xiàng)目。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉(zhuǎn)子的偏心位置,也叫軸的徑向位置，它經(jīng)常用來指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對中導(dǎo)致的那種情況，它同時也用來決定軸的方位角，方位角可以說明轉(zhuǎn)子是否穩(wěn)定。（3）脹差測量對于汽輪發(fā)電機(jī)組來說，在其啟動和停機(jī)時，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、臺座等）的相互接觸，導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。轉(zhuǎn)速測量對于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個重要指標(biāo)。旋轉(zhuǎn)測量通常有以下幾種傳感器可選：電渦流轉(zhuǎn)速傳感器、無源磁電轉(zhuǎn)速傳感器、有源磁電轉(zhuǎn)速傳感器等。具有需要選擇那類傳感器，則要根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的要求轉(zhuǎn)速等,轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置有以下幾種：用標(biāo)準(zhǔn)的漸開的線齒數(shù)（M1?M5）作轉(zhuǎn)速發(fā)生信號，在轉(zhuǎn)軸上開一鍵槽、在轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸上開孔眼、在軸轉(zhuǎn)上凸鍵等轉(zhuǎn)速發(fā)生信號裝置。無源磁電式傳感器是針對測齒輪而設(shè)計(jì)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電源供電，輸出波形為矩形波，具有負(fù)載驅(qū)動能力，適合測量0.03HZ以上轉(zhuǎn)速信號。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。對于被測體轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置要求也很低，被測體齒輪數(shù)可以很小，被測體也可以是一個很小的孔眼，一個凸鍵，一個小的凹鍵。電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速，通常選用（p3mm、（p4mm、（p5mm、（p8mm、（p10mm的探頭。轉(zhuǎn)速測量頻響為0?10KHZ。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(qiáng)。作轉(zhuǎn)速測量的電渦流傳感器有一體化和分體兩種。一體化電渦流轉(zhuǎn)速傳感器取消前置器放大器、安裝方便、適用于工作溫度在-20r?i00°c的環(huán)境下，帶前置器放大器的電渦流傳感器適合在-50°C?250°C的工作環(huán)境中。動態(tài)監(jiān)控對使用滾動軸承的機(jī)器預(yù)測性維修很重要。探頭安裝在軸承外殼中，以便觀察軸承外環(huán)。由于滾動元件在軸承旋轉(zhuǎn)時，滾動元件與軸承有缺陷的地方相碰撞時，外環(huán)會產(chǎn)生微小變形。監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測到這種變形信號，當(dāng)信號變形時意味著發(fā)生了故障，如滾動元件的裂紋缺陷或者軸承環(huán)的缺陷等，還可以測量軸承內(nèi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算可以測量軸承打滑度。電渦流傳感器及其監(jiān)測系統(tǒng)在汽輪機(jī)上的典型應(yīng)用：安裝軸的徑向振動測量當(dāng)需要測量軸的徑向振動時，要求軸的直徑大于探頭直徑的三倍以上。每個測點(diǎn)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狽450,從原動機(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0~76mm25mm76~510mm76mm大于520mm160mm探頭中心線應(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（如鍵槽、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，其表面的粗糟度應(yīng)在0.4um至0.8um之間。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(shí)位移值。鍵相測量鍵相測量就是通過在被測軸上設(shè)置一個凹槽或凸鍵，稱鍵相標(biāo)記。當(dāng)這個凹槽或凸鍵轉(zhuǎn)到探頭位置時，相當(dāng)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(jì)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。凹槽或凸鍵要足夠大，以使產(chǎn)生的脈沖信號峰峰值不小于5V。一般若采用Q5、Q8探頭，則這一凹槽或凸鍵寬度應(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。凹槽或凸鍵應(yīng)平行于軸中心線，其長度盡量長，以防當(dāng)軸產(chǎn)生軸向竄動時，探頭還能對著凹槽或凸鍵。為了避免由于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(jī)組的驅(qū)動部分上，這樣即使機(jī)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(dāng)機(jī)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(jìn)行監(jiān)測，從而可以為機(jī)組的各部分提供有效的鍵相信號。鍵相標(biāo)記可以是凹槽，也可以是凸鍵，如圖所示，標(biāo)準(zhǔn)要求用凹槽的形式。當(dāng)標(biāo)記是凹槽時，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(diǎn)為宜），而不是對著凹槽來調(diào)整初始安裝間隙。而當(dāng)標(biāo)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(diǎn)為宜），不是對著軸的其它完整表面進(jìn)行調(diào)整。否則當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，可能會造成凸鍵與探頭碰撞，剪斷探頭。8影響被測體材料對傳感器的影響傳感器特性與被測體的電導(dǎo)率6、磁導(dǎo)率§有關(guān)，當(dāng)被測體為導(dǎo)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(dāng)被測體為弱導(dǎo)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)要強(qiáng)，因此傳感器感應(yīng)靈敏度要高。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(shí)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、凹槽等缺陷。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。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(jìn)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。被測體表面鍍層對傳感器的影響被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當(dāng)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。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(dāng)被測體表面為平面時，以正對探頭中心線的點(diǎn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)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由頻率、材料導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率決定。因此如果被測體太薄，將會造成電渦流作用不夠，使傳感器靈敏度下降，一般要求厚度大于0.1mm以上的鋼等導(dǎo)磁材料及厚度大于0.05mm以上的銅、鋁等弱導(dǎo)磁材料，則靈敏度不會受其厚度的影響。9要求對被測體的要求為了防止電渦流產(chǎn)生的磁場影響儀器的正常輸出安裝時傳感器頭部四周必須留有一定范圍的非導(dǎo)電介質(zhì)空間，如果在某一部位要同時安裝兩個以上的傳感器，就必須考慮是否會產(chǎn)生交叉干擾，兩個探頭之間一定要保持規(guī)定的距離，被測體表面積應(yīng)為探頭直