電渦流位移傳感器原理與應(yīng)用

1、電渦流位移（振動(dòng)）傳感器原理與應(yīng)用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(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)械的狀態(tài)分 析，振動(dòng)研究、分析測量中，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。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(duì)諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、軸裂紋及

2、發(fā)生 摩擦等機(jī)械問題的早期判定，可提供關(guān)鍵的信息。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、響應(yīng)速度快、抗 干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械 狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。一、電渦流傳感器的基本原理根據(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(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

3、感應(yīng)電流， 與此同時(shí)該電渦流場也產(chǎn)生一個(gè)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 、磁導(dǎo)率 、 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 參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F(, , , D, I, ) 函數(shù) 來表示。通常我們能做到控制 , , , I, 這幾個(gè)參數(shù)在一定范 圍內(nèi)不變

4、，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(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(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測量。其工作過程是：當(dāng)被測金屬與探頭之間的距離發(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)過檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化 成電壓（電流）變

5、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說仍是相似的。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。二、電渦流傳感器的典型應(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

6、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)行在線測量和保1、相對(duì)振動(dòng)測量測量徑向振動(dòng)，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(duì)中等機(jī)械故障。電渦流傳感器系統(tǒng)可以提供對(duì)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(dòng) 力發(fā)電透平，蒸汽 / 燃?xì)?/ 水利 發(fā)動(dòng)馬達(dá) 發(fā)動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁機(jī) ?齒 輪箱?泵?風(fēng)箱 鼓風(fēng)機(jī) ?往復(fù)式機(jī)械（1）相對(duì)振動(dòng)測量（小型機(jī)械） 振動(dòng)測量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。 電渦流 傳感器系統(tǒng)可為如下各種機(jī)械故障的早期判

7、別提供重要信息：軸的同步振動(dòng) ?油膜失穩(wěn) 轉(zhuǎn)子摩擦 ?部件松動(dòng) 軸承 套筒松動(dòng)?壓縮機(jī)踹振 滾動(dòng)部件軸承失效 ?徑向預(yù)載， 內(nèi)部/ 外 部包括不對(duì)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(dòng)馬達(dá)空氣間隙不勻 葉輪通過現(xiàn)象 ?透平 葉片通道共振（2）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(duì)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(shí)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(duì)于評(píng)價(jià)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(duì)于裝有透平監(jiān)測儀表系

8、統(tǒng)（ TSI）的汽輪機(jī)，在啟動(dòng)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(duì)中導(dǎo)致的那種情 況，它同時(shí)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(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來說， 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。因此脹差的測量是非常重要的。2、轉(zhuǎn)速測量 對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測

9、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)。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)（ M1M5）作轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào)， 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(hào)裝置。無源磁電式傳感器是針對(duì)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(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電源供電，輸出波形為矩形波，具有負(fù)載 驅(qū)動(dòng)能力，適合測量 以上轉(zhuǎn)速信號(hào)。而

10、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(duì)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(gè)很小的 孔眼，一個(gè)凸鍵，一個(gè)小的凹鍵。電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速， 通常選用 3mm、 4mm、 5mm、 8mm、 10mm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(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)。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 20 100的環(huán)境下 , 帶前置器放大器的電渦流傳感器適合在 5

11、0 250的工作環(huán)境中3、滾動(dòng)軸承、電機(jī)換向器整流片動(dòng)態(tài)監(jiān)控對(duì)使用滾動(dòng)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(dòng)元件在軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)元件與軸承 有缺陷的地方相碰撞時(shí)，外環(huán)會(huì)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(hào)，當(dāng)信號(hào)變形時(shí)意味著發(fā)生了故障，如滾動(dòng)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。三、電渦流傳感器測量時(shí)的安裝要求1、軸的徑向振動(dòng)測量當(dāng)需要測量軸的徑向振動(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 90o5o。由

12、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。探頭中心線應(yīng)與軸心線正交，探頭監(jiān)測的表面（正對(duì)探頭中心線的 兩邊倍探頭直徑寬度的軸的整個(gè)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(gè)范圍內(nèi)不能 有噴鍍金屬或電鍍，其表面的粗糟度應(yīng)在 um 至之間。2、軸的軸向位移測量測量軸的軸向位移時(shí)，測量

13、面應(yīng)該與軸是一個(gè)整體，這個(gè)測量面是 以探頭的中心線為中心，寬度為倍的探頭圓環(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。3、鍵相測量鍵相測量就是通過在被測軸上設(shè)置一個(gè)凹槽或凸鍵，稱鍵相標(biāo)記。 當(dāng)這個(gè)凹槽或凸鍵轉(zhuǎn)到探頭位置時(shí)，相當(dāng)于探頭與被測面間距突變，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。因此通過對(duì)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(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。凹槽

14、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、8 探頭，則這一凹槽或凸鍵寬度應(yīng)大于、深度或高度應(yīng) 大于（推薦采用以上） 、長度應(yīng)大于。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(dòng)時(shí)，探頭還能對(duì)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(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， 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

15、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(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)著凹槽來調(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） ，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。四、被測體對(duì)電渦流傳感器特性的影響1、被測體材料對(duì)傳感器的影響傳感器特性與被測體的電導(dǎo)率 、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(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

16、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(shí)，由于磁效應(yīng)弱， 相對(duì)來說渦流效應(yīng)要強(qiáng)，因此傳感器感應(yīng)靈敏度要高。2、被測體表面平整度對(duì)傳感器的影響 不規(guī)則的被測體表面，會(huì)給實(shí)際的測量帶來附加誤差，因此對(duì)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(duì)于振動(dòng)測量的被測表面粗糙度要求在之間；對(duì)于位移測量被 測表面粗糙度要求在之間。3、被測體表面磁效應(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(huì)影響傳感器特性。在進(jìn)行振動(dòng)測量時(shí)，如果被測體表面殘磁效 應(yīng)過大，會(huì)出現(xiàn)測量波形發(fā)生畸變。4、被測體表面鍍層對(duì)傳感器的影響被測體表面的鍍層對(duì)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(huì)略有變化。5、被測體表面尺寸對(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(duì)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(shí)，以正對(duì)探頭中心線的點(diǎn)為中心，被測面