電渦流位移傳感器(蔣維)

1、第一節(jié) 系統(tǒng)簡(jiǎn)介1、為何采用電渦流位移傳感器 電渦流位移傳感器能測(cè)量被測(cè)體(必須是金屬導(dǎo)體)與探頭端面的相對(duì)位置。 電渦流位移傳感器長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，常被用于對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以分析出設(shè)備的工作狀況和故障原因，有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修。 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)行狀態(tài)主要取決于其核心轉(zhuǎn)軸，而電渦流位移傳感器能直接測(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果可靠、可信。過(guò)去對(duì)于機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量采用加速度傳感器或速度傳感器，通過(guò)測(cè)量機(jī)殼振動(dòng)，間接地測(cè)量轉(zhuǎn)軸振動(dòng)，測(cè)量結(jié)

2、果的可信度不高。2、系統(tǒng)組成系統(tǒng)主要包括探頭、延伸電纜(用戶可以根據(jù)需要選擇)、前置器。圖1傳感器系統(tǒng)組成第二節(jié) 系統(tǒng)的工作原理 傳感器系統(tǒng)的工作機(jī)理是電渦流效應(yīng)。當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)電源時(shí)，在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻電流信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)電纜送到探頭的頭部，在頭部周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1。如果在磁場(chǎng)H1的范圍內(nèi)沒(méi)有金屬導(dǎo)體材料接近，則發(fā)射到這一范圍內(nèi)的能量都會(huì)全部釋放；反之，如果有金屬導(dǎo)體材料接近探頭頭部，則交變磁場(chǎng)H1將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，該電渦流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向與H1相反的交變磁場(chǎng)H2。由于H2的反作用，就會(huì)改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的電感。這種變化既與電渦流效應(yīng)有關(guān)

3、，又與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線性和各向同性的，則線圈金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)通?？捎山饘賹?dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、尺寸因子r，線圈與金屬導(dǎo)體距離d，線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度I和頻率等參數(shù)來(lái)描述。因此線圈的電感可用函數(shù)L=F(,r,I,，d)來(lái)表示。圖2電渦流作用原理圖 第三節(jié) 結(jié)構(gòu)說(shuō)明1、探 頭探頭對(duì)正被測(cè)體表面，它能精確地探測(cè)出被測(cè)體表面相對(duì)于探頭端面間隙的變化。通常探頭由線圈、頭部、殼體、高頻電纜、高頻接頭組成，其典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。圖3探頭典型結(jié)構(gòu)線圈是探頭的核心，它是整個(gè)傳感

4、器系統(tǒng)的敏感元件，線圈的物理尺寸和電氣參數(shù)決定傳感器系統(tǒng)的線性量程以及探頭的電氣參數(shù)穩(wěn)定性。探頭頭部采用耐高低溫的工程塑料，通過(guò)“二次注塑”工藝將線圈密封其中。這項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)了探頭頭部的強(qiáng)度和密封性，在惡劣環(huán)境中可以保護(hù)頭部線圈能可靠工作。頭部直徑取決于其內(nèi)部線圈直徑，由于線圈直徑?jīng)Q定傳感器系統(tǒng)的基本性能線性量程，因此我們通常用頭部直徑來(lái)分類(lèi)和表征各型號(hào)探頭，一般情況傳感器系統(tǒng)的線性量程大致是探頭頭部直徑的1/21/4。最常用的的有5、8、11、14、25、50六種直徑的頭部。探頭殼體用于支撐探頭頭部，并作為探頭安裝時(shí)的裝夾結(jié)構(gòu)。殼體采用不銹鋼制成，一般上面刻有標(biāo)準(zhǔn)螺紋，并備有鎖緊螺母。為了能適

5、合不同的應(yīng)用和安裝場(chǎng)合，探頭殼體具有不同的型式和不同的螺紋及尺寸規(guī)格。高頻電纜是用于聯(lián)接探頭頭部到前置器(有時(shí)中間帶有延伸電纜轉(zhuǎn)接)，這種電纜是用氟塑料絕緣的射頻同軸電纜，通常電纜長(zhǎng)度有0.5m、1m、5m、9m四種選擇，當(dāng)選擇0.5m和1m時(shí)必須用延伸電纜以保證系統(tǒng)的總的電纜長(zhǎng)度為5m或9m，至于選擇5m還是9m應(yīng)該是考慮能滿足將前置器安裝在設(shè)備機(jī)組的同一側(cè)來(lái)決定。根據(jù)探頭的應(yīng)用場(chǎng)合和安裝環(huán)境，探頭所帶電纜可以配有不銹鋼軟管鎧裝(可選擇)，以保護(hù)電纜不易被損壞，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝探頭電纜無(wú)管道布置的情況，應(yīng)該選擇鎧裝。2、延 伸 電 纜作為系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，延伸電纜(如圖4所示)用來(lái)聯(lián)接和延長(zhǎng)探

6、頭與前置器之間的距離，您可以對(duì)延伸電纜長(zhǎng)度和是否需要帶鎧裝進(jìn)行選擇，選擇延伸電纜的長(zhǎng)度應(yīng)該使延伸電纜長(zhǎng)度加探頭電纜長(zhǎng)度與配套前置器所要求的長(zhǎng)度一致(5m或9m)，鎧裝選擇的情況同探頭電纜。 采用延伸電纜的目的是為了減短探頭所帶電纜長(zhǎng)度，對(duì)于用螺紋安裝探頭時(shí)，需轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，過(guò)長(zhǎng)的電纜不便使電纜隨探頭轉(zhuǎn)動(dòng)，容易扭斷電纜，這種情形在探頭安裝部分有進(jìn)一步說(shuō)明。 延伸電纜的兩端接頭不同，帶陽(yáng)螺紋的接頭(轉(zhuǎn)接頭)與探頭聯(lián)接，帶陰螺紋的接頭與前置器聯(lián)接。圖4延伸電纜3、前 置 器前置器是一個(gè)電子信號(hào)處理器。一方面前置器為探頭線圈提供高頻交流電流；另一方面，前置器感受探頭前面由于金屬導(dǎo)體靠近引起探頭參數(shù)的變化，

7、經(jīng)過(guò)前置器的處理，產(chǎn)生隨探頭端面與被測(cè)金屬導(dǎo)體間隙線性變化的輸出電壓信號(hào)。圖5傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器框圖檢波器將高頻信號(hào)解調(diào)成直流電壓信號(hào)，低通濾波器將高頻的殘余波除去，直流放大器放大線性補(bǔ)償電路線性化輸出放大器放大前置器（信號(hào)轉(zhuǎn)換器）的額定輸出電壓為 -4-20V（線性區(qū)）。第4節(jié) 被測(cè)體尺寸與材料的影響在系統(tǒng)的工作原理部分，被測(cè)金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、尺寸因子r對(duì)測(cè)量有影響，因此除了探頭、延伸電纜、前置器決定傳感器系統(tǒng)的性能外，嚴(yán)格地講被測(cè)體也是傳感器系統(tǒng)的一部分，即被測(cè)體的性能參數(shù)也會(huì)影響整個(gè)傳感器系統(tǒng)的性能，主要有：1、被測(cè)體尺寸的影響探頭線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)范圍是一定的，在被測(cè)體表面形成的渦

8、流場(chǎng)也是一定的，所以，當(dāng)被測(cè)面為平面時(shí)，以正對(duì)探頭中心線的點(diǎn)為中心，被測(cè)面直徑應(yīng)當(dāng)大于探頭頭部直徑1.5倍以上；當(dāng)被測(cè)體為圓軸而且探頭中心線與軸心線正交時(shí)，一般要求被測(cè)軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上，否則靈敏度就會(huì)下降，一般當(dāng)被測(cè)面大小與探頭頭部直徑相同時(shí)，靈敏度會(huì)下降至70%左右。被測(cè)體的厚度也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，如果被測(cè)體太薄，將會(huì)造成電渦流作用不夠，使傳感器靈敏度下降，一般厚度大于0.1mm以上的鋼等導(dǎo)磁材料及厚度大于0.6mm以上的銅、鋁等弱導(dǎo)磁材料，則靈敏度不會(huì)受其厚度的影響。2、 被測(cè)體表面加工狀況的影響不規(guī)則的被測(cè)體表面，會(huì)給實(shí)際的測(cè)量值造成附加誤差，特別是對(duì)于振動(dòng)測(cè)量，這個(gè)附加誤差

9、信號(hào)與實(shí)際的振動(dòng)信號(hào)疊加一起，在電氣上很難進(jìn)行分離，因此被測(cè)表面應(yīng)該光潔，不應(yīng)該存在刻痕、洞眼、凸臺(tái)、凹槽等缺陷。3、 被測(cè)體材料的影響傳感器特性與被測(cè)體的導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率有關(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)，由于磁效應(yīng)和渦流效應(yīng)同時(shí)存在，而且磁效應(yīng)與渦流效應(yīng)相反，要抵消部分渦流效應(yīng)，使得傳感器感應(yīng)靈敏度低；而當(dāng)被測(cè)體為非導(dǎo)磁或弱導(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。第5節(jié) 傳感器的典型應(yīng)用電渦流位移傳感器系統(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(duì)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

10、的軸的徑向振動(dòng)、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(cè)量和安全保護(hù)，以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等方面。傳感器有四種最常見(jiàn)的使用方式，即軸的徑向振動(dòng)測(cè)量、軸向位移測(cè)量、鑒相器信號(hào)測(cè)量以及轉(zhuǎn)速測(cè)量。1、 軸的徑向振動(dòng)測(cè)量測(cè)量軸的徑向振動(dòng)時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)安裝兩個(gè)傳感器探頭，兩個(gè)探頭分安裝在軸承兩邊的同一平面上相隔90°(±5°)。由于軸承蓋一般是水平剖分的，因此通常將兩個(gè)探頭分別安裝在垂直中心線每一側(cè)45°，定義為X探頭(水平方向)和Y探頭(垂直方向)。通常從原動(dòng)機(jī)端看，X探頭應(yīng)該在垂直中心線的右側(cè)，Y探頭應(yīng)該在垂直中心線的左側(cè)。如圖6

11、所示。圖6 軸的徑向振動(dòng)測(cè)量圖7 現(xiàn)場(chǎng)圖片2、 軸向位移測(cè)量測(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(pán)不應(yīng)超過(guò)305mm，否則測(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。圖8 軸向位移測(cè)量3、 鑒相器測(cè)量鑒相器測(cè)量就是通過(guò)在被測(cè)軸上設(shè)置一個(gè)凹槽或凸鍵，稱著鑒相標(biāo)記。當(dāng)這個(gè)凹槽或凸鍵轉(zhuǎn)到探頭安裝位置時(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)刻表明了軸在每轉(zhuǎn)周期中的位置。同時(shí)通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，可以測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速。通過(guò)

12、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。圖9 鍵相器測(cè)量4、 轉(zhuǎn)速測(cè)量鑒相器可以測(cè)量機(jī)器的轉(zhuǎn)速，但是鑒相器只能產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的信號(hào)，用它作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度不高。專門(mén)的轉(zhuǎn)速測(cè)量一般都是在軸的測(cè)量圓周上設(shè)置多個(gè)凹槽或凸鍵標(biāo)記，或者直接利用軸上的齒輪，使探頭能每轉(zhuǎn)產(chǎn)生多個(gè)脈沖。圖10 轉(zhuǎn)速測(cè)量第6節(jié) 傳感器的安裝1、 探頭的安裝（1）安裝探頭時(shí)，您應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：· 各探頭間的距離當(dāng)探頭頭部線圈中通過(guò)電流時(shí)，在頭部周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，因此在安裝時(shí)要注意兩個(gè)探頭的安裝距離不能太近，否則兩探頭之間會(huì)通過(guò)電磁場(chǎng)互相干擾(如圖11所

13、示)，在輸出信號(hào)上迭加兩探頭的差頻信號(hào)，造成測(cè)量結(jié)果的失真，這種情況稱之為相鄰干擾。排除相鄰干擾有關(guān)的因素：被測(cè)體的形狀，探頭的頭部直徑以及安裝方式。圖11 各探頭的距離· 探頭與安裝面的距離探頭頭部發(fā)射的交變電磁場(chǎng)在徑向和軸向上都有一定的擴(kuò)散。因此在安裝時(shí)，就必須考慮安裝面金屬導(dǎo)體材料的影響，應(yīng)保證探頭的頭部與安裝面之間不小于一定的距離，工程塑料頭部體要完全露出安裝面，否則應(yīng)將安裝面加工成平底孔或倒角，如圖12所示。圖12 探頭頭部與安裝面的距離· 安裝支架的選擇 實(shí)際的測(cè)量值是被測(cè)體相對(duì)于探頭的相對(duì)值，而需要的測(cè)量結(jié)果是被測(cè)體相對(duì)于其基座的，因此探頭必須牢固在基座上，通

14、常需要用安裝支架來(lái)固定探頭。對(duì)于不同的測(cè)量要求和不同的被測(cè)體結(jié)構(gòu)，安裝支架的形狀和尺寸各種各樣，常用的有機(jī)器內(nèi)部探頭安裝支架和機(jī)器外部探頭安裝支架。· 探頭安裝間隙圖13探頭安裝間隙· 探頭所帶電纜的安裝· 電纜轉(zhuǎn)接頭的密封與絕緣· 探頭的抗腐蝕性· 探頭的高壓環(huán)境（2） 探頭安裝的一般步驟· 根據(jù)測(cè)量部位的量程、安裝空間的環(huán)境和尺寸、被測(cè)體材料等特性選定傳感器，并檢查傳感器各部分外觀是否完好、各部分是否配套。· 將傳感器各部分聯(lián)接好。· 安裝好內(nèi)部安裝探頭支架。如果是外部安裝探頭，則應(yīng)先將探頭緊固在支架上，再將支架擰進(jìn)安裝螺孔內(nèi)。· 調(diào)整探頭安裝間隙。· 緊固內(nèi)部安裝探頭。· 固定探頭電纜。2、 延伸電纜的安裝作為連接探頭與前置器的中間部件，延伸電纜的安裝應(yīng)保證其在使用過(guò)程中不易受到損壞。通常采用管道鋪設(shè)，否則應(yīng)采用帶鎧裝的延伸電纜。另外，應(yīng)將過(guò)長(zhǎng)的電纜線盤(pán)成直徑不小于50mm的園環(huán)用綁繩扎緊后，用壓片將