電渦流傳感器原理

第六章機械量測量儀表

主要內(nèi)容6.1概述6.2電渦流式傳感器6.3電容式位移檢測方法6.4轉(zhuǎn)速檢測6.5振動檢測6.6電感式傳感器的典型應(yīng)用6.1概述

機械量通常包括各種幾何量和力學量，如長度、位移、厚度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、振動和力等。本章主要討論機組控制中常用的位移、振動和轉(zhuǎn)速三種機械量的測量方法及測量儀表。機械量測量儀表一般由傳感器、測量電路、顯示(或記錄)器和電源組成,如圖6-1所示。

圖6-1機械量測量儀表框圖

測量電路包括變換、放大等，把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成電信號；顯示單元以模擬形式、數(shù)字形式，或以圖像形式給出被測量的數(shù)值。機械量測量儀表可按測量對象和測量原理分類。按測量對象可分為位移測量儀表、厚度測量儀表、轉(zhuǎn)矩測量儀表等。按測量原理位移測量儀表可分為電容式、電感式、光電式、超聲波式、射線式等。

表6-1各種機械量檢測參數(shù)可采用的測量原理這里討論的是過程控制中大型轉(zhuǎn)動設(shè)備(如汽輪機、壓縮機等)軸的位移。汽輪機在啟停和運行中，如果轉(zhuǎn)子軸推力軸瓦已燒壞，則轉(zhuǎn)子就要發(fā)生前后竄動，因而引起轉(zhuǎn)子軸的軸向位移增大，使汽輪機內(nèi)部動、靜部件間發(fā)生摩擦和碰撞，導(dǎo)致大批葉片折斷，隔板和葉輪碎裂，造成嚴重事故。因此，一般汽輪機都設(shè)置了軸向位移的監(jiān)測和保護裝置，電渦流傳感器的檢測探頭與轉(zhuǎn)子軸端面保持一定的初始距離。當汽輪機轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生軸向位移時，傳感器的輸出電壓與軸向位移成比例。當位移值超過規(guī)定的允許值時，傳感器的輸出電壓可控制報警電路發(fā)出報警信號。

本章重點介紹廣泛應(yīng)用于大型轉(zhuǎn)動設(shè)備(如汽輪機、壓縮機等)軸位移、軸振動測量儀表—“電渦流式傳感器”返回6.2電渦流式傳感器

電渦流式傳感器屬于電感式傳感器的一種，是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。

6.2.1原理與特性

如下圖6-2所示，一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當線圈中通有交變電流I1時，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。置于這一磁場中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流I2，電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。

圖6-2電渦流傳感器原理圖

一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參恒定不變，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。如其他參數(shù)不變，阻抗的變化就可以反映線圈到被測金屬導(dǎo)體間的距離大小變化。

在電感式位移檢測方法中最常見的是渦流式電感位移檢測器，如圖6-3所示是電渦流式傳感器檢測探頭，探頭端部裝有高度密封的、發(fā)射高頻信號的線圈。由于被測物體的端部（一般為轉(zhuǎn)動機器的軸）距離線圈很近，僅有幾mm，線圈通電后產(chǎn)生一個高頻磁場，軸的表面在磁場的作用下產(chǎn)生渦流電流。同樣，渦流電流也會產(chǎn)生磁場，其場強大小與距離有關(guān)，該場強抵消由線圈產(chǎn)生的

磁場強度，影響檢測線圈的等效阻抗，而等效阻抗與線圈電感量有關(guān)，因此就測得位移量。圖6-3渦流檢測探頭

6.2.2高頻反射式電渦流傳感器

這種傳感器的結(jié)構(gòu)很簡單，主要由一個固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部，也可以繞在框架端部的槽內(nèi)。圖6-4為某種型號的高頻反射式電渦流傳感器。

圖6-4高頻反射式電渦流傳感器電渦流傳感器的線圈與被測金屬導(dǎo)體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。因此，被測物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測量裝置特性有關(guān)。一般來說，被測物的電導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度也越高。為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，當被測物體是圓柱體時，被測導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，否則靈敏度要降低。6.2.3電渦流式傳感器測量電路

6.2.3.1電橋電路圖6-5電橋法測量電路原理圖電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。圖6-5是電橋法的電原理圖，圖中線圈A和B為傳感器線圈。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。6.2.3.2諧振法

這種方法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為:

（6-1）

且諧振時回路的等效阻抗最大，等于式中，R’為回路的等效損耗電阻。當電感L發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。（6-2）

調(diào)頻式測量電路的原理是被測量變化引起傳感器線圈電感的變化，而電感的變化導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生變化，頻率變化間接反映了被測量的變化。見圖6-7電渦流式傳感器外形圖。

圖6-7ST-1電渦流式傳感器外形圖

6.2.4電渦流式傳感器使用注意事項

被測物體的表面要光滑、平坦。非鋼材被測體和小于三倍傳感器直徑的被測表面影響傳感器輸出特性。傳感器出廠時使用45#鋼標定，被測對象不符合規(guī)定時應(yīng)重新標定（型號不同的鋼材靈敏度誤差小于10%）。應(yīng)當保持傳感器探頭周圍有足夠的空間，在3倍探頭直徑范圍內(nèi)，不應(yīng)由金屬體，傳感器安裝應(yīng)遠離轉(zhuǎn)動體臺階面，這樣可避免周圍金屬結(jié)構(gòu)的干擾，準確測量振動值。傳感器可在有酸堿腐蝕的環(huán)境中使用。

見圖6-8安裝兩個鄰近傳感器時應(yīng)保證傳感頭之間有足夠的距離以防止交叉失真（如圖a），一般應(yīng)保留40mm的間隙。在徑向軸承附近安裝傳感器時（如圖b），傳感器中心線與軸承座表面的距離應(yīng)大于三倍傳感頭直徑，同時避免把傳感器安裝在不顯示任何振動的結(jié)點上（如圖c）。

（a）（b）（c）

圖6-8電渦流式傳感器安裝圖

在安裝傳感器之前，保證螺紋孔中不能有異物，且螺紋良好。當把傳感頭擰入機架固定時，傳感器引線應(yīng)隨傳感頭自由旋轉(zhuǎn)，不應(yīng)有扭力；傳感器的托架應(yīng)選擇鋼材等堅固件，且其共振頻率應(yīng)大于10倍的被測體轉(zhuǎn)速。安裝中的接地問題（如圖6-9所示）

圖6-9電渦流式傳感器接地安裝圖返回6.3電容式位移檢測方法

平行極板電容器的電容為式中，C為電容量；ε為極板介質(zhì)的介電常數(shù)；S為極板面積；d為極板J間距離。在介電常數(shù)ε和S一定的情況下，極板距離與電容量成反比。因此可將一塊極板固定，另一塊極板與被測物體相連，那么被測物體的位移使得極板距離變化，（6-4）

從而使電容量變化。為了提高檢測元件的靈敏度，常采用差動電容式位移檢測結(jié)構(gòu)，在兩個固定極板之間設(shè)置可動極板，使固定極板對中間可動極板成對稱結(jié)構(gòu),構(gòu)成兩個大小相同的電容?？蓜訕O板裝在被測物體上。當被測物體位移x后，一個電容量增加，另一個電容量減小，將差動電容接入一個變壓器電橋電路，所示，就可以得到與被測位移成比例的電壓輸出信號。返回6.4轉(zhuǎn)速檢測

在發(fā)動機、壓縮機、透平機和泵等轉(zhuǎn)動設(shè)備中，轉(zhuǎn)速是表征設(shè)備運行好壞的重要變量,特別是轉(zhuǎn)動設(shè)備的臨界速度，它是系統(tǒng)的振動頻率與轉(zhuǎn)動設(shè)備固有頻率發(fā)生共振的速度。檢測轉(zhuǎn)速的方法通常是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為位移，或者將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖信號。

6.4.1離心式轉(zhuǎn)速表

其工作原理基于與回轉(zhuǎn)軸偏置的重錘在回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力Q與回轉(zhuǎn)軸的角速度ω的平方成正比，即式中，m為重錘的質(zhì)量；r為重錘至被測軸的垂直距離。圖6-11是其測量原理圖。

(6-5)

圖6-11離心式轉(zhuǎn)速表原理圖

當轉(zhuǎn)動軸以ω的角速度轉(zhuǎn)動時，重錘產(chǎn)生離心力Q，轉(zhuǎn)速越大離心力越大，壓迫彈簧使它縮短，因而彈簧被壓縮的位移與轉(zhuǎn)速成正比。測出彈簧位移就得知轉(zhuǎn)速。離心式轉(zhuǎn)速表是機械式的，慣性較大，測量精度受到一定限制，但體積小且攜帶方便，不需要能源，因此應(yīng)用比較廣泛。（動畫）6.4.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器工作在脈沖狀態(tài)下，它將軸的轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)頻率的脈沖，然后測出脈沖頻率就測得轉(zhuǎn)速。圖6-12所示的是一種直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理。

圖6-12直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理

從光源發(fā)出的光通過開孔盤和縫隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光。開孔盤裝在轉(zhuǎn)動軸上隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，盤上有一定數(shù)量的小孔。當開孔盤轉(zhuǎn)動一周，光敏元件感光的次數(shù)與盤的開孔數(shù)相等，因此產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電脈沖信號。但是因受到開孔盤尺寸的限制，開孔數(shù)不能太大，所以對傳感器的結(jié)構(gòu)進行改進，如圖6-13所示。6-13傳感器

指示盤與旋轉(zhuǎn)盤具有相同間距的縫隙，當旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)過一條縫隙，光線就產(chǎn)生一次明暗變化,使光敏元件感光一次。用這種結(jié)構(gòu)可以大大增加轉(zhuǎn)盤上的縫隙數(shù)，因此每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)相應(yīng)增加。將脈沖數(shù)通過測量電路處理，最終輸出與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電信號。與離心式轉(zhuǎn)速表相比，光電式轉(zhuǎn)速傳感器測量精度高，其輸出信號可供計算機使用。

返回6.5振動檢測

旋轉(zhuǎn)機械運行時，必須監(jiān)視轉(zhuǎn)軸的振幅、軸的不平衡引起的徑向移動，這些都與振動有關(guān)。檢測位移、速度的原理都可用于檢測振動。目前振動檢測儀表有機械式、電阻應(yīng)變片式、壓電式、磁電式、電容式、渦流式等。其中渦流式測振方法應(yīng)用最普遍。在測振動時經(jīng)常在軸的徑向按水平和垂直位置裝有多個渦流檢測探頭組成一個測振系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6-14所示。檢測各自部位、方向的位移量。將各個探頭測得的信息綜合處理后，就可得到所需的振動信息，如振幅、振動方向、振動頻率等，從而判斷出旋轉(zhuǎn)機械運行是否正常。圖6-14測振系統(tǒng)示意圖

返回6.6電感式傳感器的典型應(yīng)用

電感式傳感器主要用于測量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量變化的參數(shù)，如壓力、力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進行測量。

6.6.1位移測量

（1）induNCDT系列位移傳感器圖6-15是induNCDT系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動，轉(zhuǎn)速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號與測量位移成正比。在傳感器測量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于±2%。

圖6-15induNCDT系列位移傳感器的外形圖

（2）AP035系列差動變壓器式位移傳感器AP035差動變壓器式位移傳感器是由差動差動變壓器和基本電路組成。它可對生產(chǎn)過程中位移、形變參數(shù)進行快速、準確可靠地測量，并可配用微機和其他裝置進行打印或自動控制。本傳感器還具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、連續(xù)工作時間長等一系列優(yōu)點。主要技術(shù)參數(shù)：測量范圍：±20ｍｍ?；菊`差：０.５％。輸出訊號：±１０Ｖ。傳感器工作環(huán)境：溫度：-2０℃～+７０℃相對濕度：５％RH～９０RH％靈敏度：0.45v/mm。傳感器供電電源為DC15V，外形尺寸φ22×228。6.6.2振動檢測

RS9300低頻振動傳感器是屬于慣性式傳感器，其外形如圖6-16。

圖6-16RS9300低頻振動傳感器它是利用磁電感應(yīng)原理把振動信號變換成電信號。主要由磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼等部分組成。在傳感器殼體中剛性地固定著磁鐵，慣性質(zhì)量（線圈組件）用彈簧元件懸掛于殼體上。工作時，將傳感器安裝在機器上，在機器振動時，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓信號正比于被測物體的振動速度值，對該信號進行積分放大處理即可得到位移信號。RS9300低頻速度位移振動傳感器（內(nèi)部帶部分器，輸出位移電壓信號）適用于水輪發(fā)電機組低頻轉(zhuǎn)動機械，測量頻響范圍0.5HZ-200HZ(-3dB)，抗干擾性能強，能長期穩(wěn)定可靠地工作于惡劣環(huán)境中。（1）使用特點：a.

傳感器有很低的使用頻率，可以適用于低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動機器。b.相對于其它類型的振動傳感器而言，RS9300傳感器有較低的輸出阻抗，較好的信噪比。它同一般通用交流電壓表或示波器配合就能工作。對輸出插頭和傳輸電纜也無