傳感器—電渦流式傳感器

一、概述
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量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體（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。
二、背景
在高速旋轉(zhuǎn)機械和往復(fù)式運動機械的狀態(tài)分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續(xù)準確地采集到轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。從轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機械的運動狀態(tài)，主要取決于其**—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)，對諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對中、軸承磨損、軸裂紋及發(fā)生摩擦等機械問題的早期判定，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、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。
三、原理
根據(jù)法拉*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б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離d、電流強度i和頻率ω參數(shù)來描述，則線圈特征阻抗可用z=f(τ, ξ, б, d, i, ω)函數(shù)來表示。通常我們能做到控制τ, ξ, б, i, ω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)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。
四、典型應(yīng)用
電渦流傳感器系統(tǒng)以其*特的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)，對汽輪機、水輪機、發(fā)電機、鼓風(fēng)機、壓縮機、齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)機械的軸的徑向振動、軸向位移、鑒相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、油膜厚度等進行在線測量和安全保護，以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究和零件尺寸檢驗等方面。圖1-1列舉了上海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。
轉(zhuǎn)速測量
除了測量振動外，電渦流傳感器還能測量轉(zhuǎn)速。
對于所有旋轉(zhuǎn)機械而言，都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡量機器正常運轉(zhuǎn)的一個重要指標。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：用標準的漸開的線齒數(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φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm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。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–50℃～250℃的工作環(huán)境中。
五、應(yīng)用場景
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)機械狀態(tài)監(jiān)測所需要的信息：
工業(yè)透平，蒸汽/燃氣
壓縮機，徑向/軸向膨脹機
動力發(fā)電透平，蒸汽/燃氣/水利
發(fā)動馬達發(fā)動機勵磁機齒輪箱泵風(fēng)箱鼓風(fēng)機往復(fù)式機械1.相對振動測量（小型機械）
振動測量同樣可以用于對一般性的小型機械進行連續(xù)監(jiān)測。電渦流傳感器系統(tǒng)可為如下各種機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)可對軸彎曲的程度進行測量，這些彎曲可由下列情況引起：
原有的機械彎曲
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)機械全面的機械狀態(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，在啟動或停機過程中，偏心測量已成為不可少的測量項目。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)電機組來說，在其啟動和停機時，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**過殼體膨脹；有可能導(dǎo)致透平機的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件（如機殼、噴嘴、臺座等）的相互接觸，導(dǎo)致機器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。
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