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)動時，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。

工作過程

　　當(dāng)被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，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）變化，zui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，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān)。電渦流傳感器工作原理如圖所示

　　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zui大的特點(diǎn)是能對位移、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。

電渦流傳感器

相關(guān)公司

　　北京拓普瑞晟測控技術(shù)有限公司自主研制的電渦流傳感器是基于渦流效應(yīng)的原理制成的非接觸式位移傳感器，是目前國內(nèi)技術(shù)指標(biāo)zui高的電渦流傳感器之一。該傳感器由探頭、加長電纜、前置器組成，可用來測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)：如軸的徑向振動、軸向位移轉(zhuǎn)速、偏心、差脹等。

編輯本段二、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

1、相對振動測量

　　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

　　（1）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。

　?。?）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。

2、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*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(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–50℃～250℃的工作環(huán)境中。

3、滾動軸承、電機(jī)換向器整流片動態(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：

編輯本段三、電渦流傳感器測量時的安裝要求

1、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側(cè)45o，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zui大距離。軸的徑向振動測量時探頭的安裝：

　　測量軸承直徑 zui大距離

　　0~76mm 25mm

　　76~510mm 76mm

　　大于520mm 160mm

　　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0.4 um至0.8um之間。

2、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。

3、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φ5、φ8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。

編輯本段四、被測體對電渦流傳感器特性的影響

1、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б、磁導(dǎo)率ξ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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。