第十讲 电涡流传感器

第十讲 电涡流传感器 教学课：电感测微仪 教学目的： 1、任务描述 2、相关知识 3、相关技能 4、知识拓展 教学重点：电涡流传感器的结构原理 教学难点：电涡流传感器的测量电路 教学时间：2课时 教学过程及： 1、​ 任务描述与分析 旋转机械是应用最广，数量最多，最具有代表性的机械设备之一。振动故障是旋转机械故障的主要表现形式。因此对旋转电机的主轴径向、轴向进行振动或位移检测具有重要意义。电涡传感器是一种非接触式的位移传感器，具有灵敏度高、线性范围大、频率范围宽，抗干扰能力强等优点。与接触式传感器相比，能够更准确地测量出转子振动状态的各种参数，尤其适用于旋转轴振动、轴位移及轴的轨迹测量。 本次学习任务就是要采用电涡流传感器测量某旋转机械设备主轴径向振动。它由转换元件（电涡流传感器）、信号处理电路组成，并用仪显示振动状态 主轴的径向振动监控 1．被测主轴 2．传感器探头 二、相关知识 （1）​ 什么是电涡流传感器 电涡流传感器的基本工作原理是电涡流效应。根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会感应电流产生。电流在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为电涡流。这种现象称为电涡流效应， 电涡流传感器由电涡流线圈和被测金属组成。对靠近金属导体附近的电感线圈施加一个高频200（KHZ）电压信号，激磁电流 将产生高频磁场 ，被测导体置于该交变磁场范围之内，就产生了与交变磁场相交链的电涡流 ，根据电磁学定律，电涡流 也将产生一个与原磁场方向相反的新的交变磁场 。这两个磁场相互作用将使通电线圈 的等效阻抗 发生变化。电涡流传感器就是利用电涡流效应将被测量转换为传感器线圈阻抗 变化的一种装置。 （2）​ 影响线圈等效阻抗的因素 线圈等效阻抗与金属导体的导电率 、磁导率 、几何形状、线圈的几何参数 、激磁电流频率 以及线圈到金属导体的距离 等参数有关。假定金属导体是均质的，其性质是线性和各向同性，线圈的阻抗可用如下函数表示： 如果控制上式中的 、 、 、 恒定不变，只改变其中的一个参数 ，这样阻抗 就成为间距 的单值函数。被测导体与电涡流线圈的距离发生变化，线圈的等效阻抗也会发生变化，这就是采用电涡流传感器进行位移非接触测量的基本原理。 （三）电涡流探头结构 电涡流传感器的传感元件是一个线圈，俗称为电涡流探头。电涡流探头结构如图 。 随着电子技术的发展，现在已能将测量转换电路安装到探头的外壳体中，它具有输出信号大，不受输出电缆分布电容影响等优点。 3、​ 相关技能 （一） 如何正确使用传感器 电涡流探头与被测金属体之间是磁性耦合的，并利用这种耦合程度的变化作为测试值，因此，电涡流传感器完整地看应是传感器的线圈加上被测金属导体。因而在电涡流传感器的使用中，必须考虑被测体的材料和几何形状、尺寸等对被测量的影响。 1．​ 被测材料对测量的影响 被测体的电导率越好高，则灵敏度也越高，但被测体为磁性体时，导磁率效果与涡流损耗效果呈相反作用，因此与非磁性体相比，灵敏度底。所以被测体在加工过程中遗留下来的剩磁需要进行消磁处理。 2．​ 被测体几何形状和大小对测量的影响 为了充分有效的利用电涡流效应，被测体的半径应大于线圈半径，否则将致使灵敏度降低。一般涡流传感器,涡流影响范围约为传感器线圈直径的三倍。 被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要有0.2mm以上的厚度，则测量不受影响。 （二）如何正确安装传感器 1．被测体为平面时，探头的敏感端面应与被测表面平行；被测体为圆柱时，探头轴线与被测圆柱轴线应垂直相交；被测体为球面时，探头轴线应过球心。 各探头间的距离 2．安装传感器时，应考虑传感器的线性测量范围和被测间隙的变化量，尤其当被测间隙总的变化量与传感器的线性工作范围接近时。一般在订货选型时应使所选的传感器线性范围大于被测间隙的15% 以上。通常，测量振动时，将安装间隙设在传感器的线性中点；测量位移时，要根据位移往哪个方向变化或往哪个方向的变化量较大来决定其安装间隙的设定。当位移向远离探头端部的方向变化时，安装间隙应设在线性近端；反之，则应设在远端。 3．不属于被测体的任何一种金属接近电涡流传感器线圈，都能干扰磁场，从而产生线圈的附加损失，导致灵敏度的降低和线性范围的缩小。所以不属于被测体的金属与线圈之间，至少要相距一个线圈的直径 大小。探头头部与安装面的距离如图 所示。可见安装传感器时，头部宜完全露出安装面，否则应将安装面加工成平底孔或倒角。以保证探头的头部与安装面之间不小于一定的距离。 探头头部与安装面的距离 4．传感器安装使用的支架的强度应尽量高，其谐振频率至少为机器转速的十倍，这样才能保证测量的准确性。安装传感器时，传感器之间的安装距离不能太近，以免产生相邻干扰。 （三）如何将传感器阻抗的变化转变成电压信号 本次任务中，电涡流传感器将被测金属与探头线圈之间的位移变化转换为线圈等效阻抗 的变化，通过测量转换电路可以将阻抗 的变化转变成电压或频率的变化。并通过仪表显示。常用的测量电路有电桥电路、谐振电路等。电桥电路通常用于差动式电涡流传感器。下面重点讲述调幅法和调频法。 1．​ 调幅法 定频调幅式测量电路原理框图如 图3.27。图中 为传感器线圈电感，与一个微调电容 组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在电涡流探头远离被测导体时，调节 ，使 并联谐振回路调谐频率等于晶体振荡器频率 。这时谐振回路阻抗最大， 并联谐振回路的压降 也最大(图3.28中之U0)。 定频调幅电路框图  当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压 相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与位移成近似线性关系。由于输出电压的频率 始终恒定，因此称定频调幅式。 定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理与下面介绍的调频电路相似。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，变频调幅电路利用振荡的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不于理会。 2．​ 调频电路 调频式测量转换电路如图 所示，图中将电涡流探头的电感量 与微调电容 构成 振荡器，以振荡器的频率 作为输出量。有电工学知识可知，并联谐振回路的谐振频率为 当电涡流线圈与被测体的距离 改变时，引起电涡流线圈的电感量 改变，这样振荡器的输出频率 也随之发生变化，此频率可以通过F/V转换器（又称鉴频器），将 转换为电压 ，由电压表显示。也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机的计数器，测量出频率的变化。 调频式测量转换电路原理框图及特性 a）信号流程 b）鉴频器特性 （3）​ 电涡流传感器的其他应用 电涡流传感器是20世纪70年代以来得到迅速发展的一种传感器，由于它具有结构简单，灵敏度高、线性范围大、频率响应范围宽，抗干扰能力强等优点，并能进行非接触测量，在科学领域和工业生产中得到广泛使用。下面介绍电涡流传感器的几种典型应用。位移测量；振动测量；转速测量；电涡流表面探伤。 转速测量 a）带有凹槽的转轴 b）带有凸槽的转轴 1－传感器 2－被测物 厚度测量 电涡流探伤 1、​ 位移和振动 在测量位移方面，除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外，它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。 2、​ 转速测量 在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。 3、电涡流探伤 保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位。 此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。 电涡流传感器还可用作接近度传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式硬度计。 作业：精选历年全国统考试题 选择题：对于电涡流传感器的谐振测位移电路，当无金属导体靠近时，其输出电压（ ） A. 最大 B. 最小 C. 随机变化 D. 中间点 填空题：涡流传感器的线圈与被测物体的距离减小时，互感系数M将________. 简答题：简述电涡流传感器的工作原理，这种传感器有何优点，常用来测哪些物理量？ 分析：一电涡流测振仪测量某主轴的轴向振动。已知：传感器的灵敏度为15（mV/μm），最大线性范围为6（μm）。现将传感器安装在主轴右侧。如图a所示。用 记录仪记录振动波形，如图b所示，问：传感器与被测金属的安装距离L为多少微米时，可得到较好的测量效果？轴向振动的振幅A为多少？