电涡流传感器详解

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1、电涡流传感器详解一、电涡流传感器的基本类型分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。激励频率的选择原则为：待测导体的厚度大，应选择较低的激励频率以保证线性度， 反之则使用较高激励频率以提高灵敏度。二、电涡流传感器的典型应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对 汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的 径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸 检验等进行在线测量和保护。胀差测量斜坡式胀差测量补偿式胀差测量双斜面胀差测量振动测量轴位移测量轴心轨迹测量差动测量动力膨胀转子动平径向运动

2、分析转速和相位差测试转速测量表面不平整度测量裂痕测量非导电材料厚度测量金属元件合格检测轴承测量换向片测量1、相对振动测量 测量径向振动，可以由它分析轴承的工作状态，还可以看到分析转子的不平衡，不 对中等机械故障。电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需 要的信息：工业透平，蒸汽/燃气 压缩机，径向/轴向膨胀机 动力发电透平，蒸汽/燃气/水利发动马达 发动机励磁机 齿轮箱泵 风箱鼓风机 往复式机械（1）相对振动测量（小型机械） 振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。电涡流传感器系统可为 如下各种机械故障的早期判别提供重要信息：轴的同步振动 油膜失稳转子摩擦 部件

3、松动轴承套筒松动 压缩机踹振滚动部件轴承失效 径向预载，内部/外部包括不对中轴承巴氏合金磨损 轴承间隙过大，径向/轴向平衡（阻气）活塞 联轴器“锁死”磨损/失效轴裂纹 轴弯曲齿轮咬合问题 电动马达空气间隙不匀叶轮通过现象 透平叶片通道共振（2）偏心测量 偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量，这些弯 曲可由下列情况引起：原有的机械弯曲 临时温升导致的弯曲重力弯曲 外力造成的弯曲 偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特别是对于装有 透平监测仪表系统（TSI）的汽轮机，在启动或停机过程中，偏心测量已成为不可少的 测量项目。它使你能看到由于受热或重力所

4、引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也 叫轴的径向位置，它经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对中导致的 那种情况，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。（3）胀差测量 对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的 不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件 和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量 是非常重要的。2、转速测量对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转 的一个重要指标。旋转测量通常有以下几种传感器可选：电涡流转速传感器、无

5、源磁电 转速传感器、有源磁电转速传感器等。具有需要选择那类传感器，则要根据转速测量的 要求转速等，转速发生装置有以下几种：用标准的渐开的线齿数（M1M5）作转速发生 信号，在转轴上开一键槽、在转轴在转轴上开孔眼、在轴转上凸键等转速发生信号装置。无源磁电式传感器是针对测齿轮而设计的发电型传感器（无源），不适合测零转速 和较低转速，因低频时，幅值信号小，抗干扰能力差，它不需要供电。有源磁电式传感器采用了电源供电，输出波形为矩形波，具有负载驱动能力，适合 测量 0.03HZ 以上转速信号。而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零 转速，也能响应高转速。对于被测体转轴的

6、转速发生装置要求也很低，被测体齿轮数可 以很小，被测体也可以是一个很小的孔眼，一个凸键，一个小的凹键。电涡流传感器测 转速，通常选用屮3mm、（p 4mm、（p 5mm、（p 8mm、（p 10mm的探头。转速测量频响为010KHZ。 电涡流传感器测转速，传感器输出的信号幅值较高（在低速和高速整个范围内）抗干扰 能力强。作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。一体化电涡流转速传感器取 消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在- 20C100C的环境下,带前置器放大 器的电涡流传感器适合在- 50C250C的工作环境中。3、滚动轴承、电机换向器整流片动态监控对使用滚动轴承的机器预测性维修很

7、重要。探头安装在轴承外壳中，以便观察轴承 外环。由于滚动元件在轴承旋转时，滚动元件与轴承有缺陷的地方相碰撞时，外环会产 生微小变形。监测系统可以监测到这种变形信号，当信号变形时意味着发生了故障，如 滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等，还可以测量轴承内环运行状态，经过运算可 以测量轴承打滑度。三、电涡流传感器测量时的安装要求1、轴的径向振动测量当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应 同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔 90o5o 由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧 45o 从原动机端看，分

8、别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直 中心线的右侧， Y 方向在垂直中心线的左侧。轴的径向振动测量时探头的安装位置应该尽量靠近轴承，如图所示，否则由于轴的 挠度，得到的值会有偏差。轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离。轴的径向振动测量时探头的安装： 测量轴承直径 最大距离076mm 25mm76510mm 76mm大于 520mm 160mm探头中心线应与轴心线正交，探头监测的表面（正对探头中心线的两边 1.5 倍探头 直径宽度的轴的整个圆周面，如图）应无裂痕或其它任何不连续的表面现象（如键槽、 凸凹不平、油孔等），且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀，其表面的粗糟度

9、应在0.4 um 至 0.8um 之间。2、轴的轴向位移测量测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线 为中心，宽度为1.5倍的探头圆环。探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm，否则 测量结果不仅包含轴向位移的变化，而且包含胀差在内的变化，这样测量的不是轴的真 实位移值。3、键相测量键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称键相标记。当这个凹槽或凸 键转到探头位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每 转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过 对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信

10、号比较，可以确定振动的相 位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。凹槽或凸键要足够大，以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V。一般若采用屮5、屮 8探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm 以上）、长度应大于0.2mm。凹槽或凸键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防当轴 产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。为了避免由于轴相位移引起的探头与被测 面之间的间隙变化过大，应将键相探头安装在轴的径向，而不是轴向的位置。应尽可能 地将键相探头安装在机组的驱动部分上，这样即使机组的驱动部分与载荷脱离，传感器 仍会有键相信号输出。当机组具有不

11、同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进 行监测，从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。键相标记可以是凹槽，也可以是凸键，如图所示，标准要求用凹槽的形式。当标记 是凹槽时，安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点 为宜），而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。而当标记是凸键时探头一定要对着凸起 的顶部表面调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），不是对着轴的其它完 整表面进行调整。否则当轴转动时，可能会造成凸键与探头碰撞，剪断探头。四、被测体对电涡流传感器特性的影响1 、被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率6、磁导率g有关，当被测体为导磁材料（

12、如普通钢、 结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流 效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等） 时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。2、被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对被测体表面应该平整 光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面 粗糙度要求在0.4um0.8um之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um1.6um 之间。3、被测体表面磁效应对传感器的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程

13、中形成残磁效应，以及淬火 不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进 行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。4、被测体表面镀层对传感器的影响 被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚 薄，传感器的灵敏度会略有变化。5、被测体表面尺寸对传感器的影响由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。 这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心 线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的 1.5倍以上；当被测体为圆轴且探头 中心线与轴心线正交时，一般

14、要求被测轴直径为探头头部直径的 3 倍以上，否则传感器 的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与 探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被 测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄， 将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降，一般要求厚度大于 0.1mm 以上的钢等 导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料，则灵敏度不会受其厚度的影 响。五、电涡流传感器安装的影响因素1、对被测体的要求为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有 一定范围的非导电

15、介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考 虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头 直径 3 倍以上，当无法满足 3 倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价 的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至70%，所以当灵敏度要求不高 时可适当缩小测量表面积。2、对工作的温度的要求一般进口涡流传感器最高温度不大于180C，而国产的只能达到120C，并且这些 数据来源于生产厂家，其中有很大的不可靠性，据相关的各种资料分析，实际上，工作 温度超过70C时，电涡流传感器的灵敏度会显著降低，甚至会造成传感器的损坏，在 核电站工业、涡

16、轮发动机制造、火箭发射、汽车发动机检验、冶金钢铁熔炉等领域必要 耐高温的电涡流传感器耐受性必须很高，据悉英国真尚有集团电涡流传感器设计工程师 成功研发出了能够耐受上千摄氏度的此类传感器。电涡流传感器的灵敏度受温度的影响 在轴振测量中安装使用电涡流传感器应尽量远离汽封，只有特制的耐高温传感器如高低 温电涡流传感器才能用于安装汽封附近。3、对探头支架的要求电涡流传感器安装在固定支架上，因此支架的好坏直接决定测量的效果，这就要求 支架应有足够的刚度以提高自振频率，避免或减小被测体振动时支架也同时受激自振， 资料表明，支架的自振频率至少应为机械旋转速度的 10 倍，支架应与被测表面切线方 向平行，传感器垂直安装在支架上，虽然探头的中心线在垂直方向偏 15角时对系统 特性没有影响，但最好还是保证传感器与被测面垂直。4、对初始间隙的要求各种型号电涡流传感器，都在一定的间隙电压值下，它的读数才有较好的线性度， 所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙，对每一套产品都会进行特性试验，绘 出相应的特性曲线，工程技术人员在使用传感器的时候必须仔细研究配套的校验证书， 认真分析特性曲线，以确定传感器是否满足所要测量的间隙，一般传感器直径越大所测 量间隙也越大。